3.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН · Раздел 3. Т еоретические основы технологии получения

Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха

Таблица 3.1.3. Удельные теплоемкости паров хладагента R22

Английский ученый Блэк (1760) показал, чтопри постоянной температуре вещество может поглощать или выде!лять тепло путем изменения агрегатного состояния, а также дал коли!чественную оценку тепловых преобразований при изменении агре!гатного состояния вещества.

Так, для того, чтобы растопить 1 кг льда, необходимо затратить 334 кДжэнергии, а чтобы испарить 1 кг воды, необходимо затратить 2 258 кДжэнергии (рис. 3.2.1). Процесс поглощения теплоты в этих

Рис. 3.2.1. Энергетические показатели при изменении агрегатного состояния воды

56

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИНP�V ДИАГРАММА ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА

3.2.

3.2.1.

Р а з д е л 3. Теоретические основы технологии получения холода

случаях происходит при постоянной температуре. Эти явления ис!пользуются во всех тепловых машинах при получении холода и тепла.

Простая холодильная машина использует явление поглощениятепла из охлаждаемой среды во время перехода вещества из жидкогосостояния в газообразное при постоянной температуре и давлении.Так, если капнуть на ладонь какой!либо хладагент, например, эфир,то ладонь будет охлаждаться. При испарении хладагент отбирает теп!ло у ладони, а нагретые пары хладагента перейдут в окружающуюсреду, отдав ей часть тепла ладони.

Если этот хладагент замкнуть в изолированной термодинамичес!кой системе и создать условия для сбора испарившегося хладагента иобратного его преобразования в жидкость, то эту часть хладагентаможно вновь использовать для охлаждения. Схема такой термодина!мической системы приведена на рис. 3.2.2, а процессы, протекающиев системе, отображены в P�V диаграмме на рис. 3.2.3.

В камере, которую необходимо охладить, находится испаритель.В испаритель поступает жидкий хладагент, который затем испаряет!ся, отбирая тепло у холодильной камеры (поток А на рис. 3.2.2 и кри!вая 4–1 на рис. 3.2.3).

Регулируя давление, можно сделать так, чтобы хладагент превращал!ся в пар при требуемой температуре (в допустимых для данного хлада!гента пределах и при технически реализуемых давлениях). Затем необ!ходимо отобранное хладагентом тепло передать в окружающую средуили использовать для нагревания. Для этого хладагент сжимают комп!рессором (кривая 1–2 на рис. 3.2.3) и направляют в теплообменник, на!зываемый конденсатором. Конденсатор при постоянном давлении

Рис. 3.2.2. Блок!схема парокомпрессионной холодильной машины

57

ÊÎÍÄÅÍÑÀÒÎÐ

ÐÅÃÓËÈÐÓÞÙÈÉÂÅÍÒÈËÜ

ÈÑÏÀÐÈÒÅËÜ

ÊÎÌÏÐÅÑÑÎÐ

ÕÎËÎÄÈËÜÍÀß ÊÀÌÅÐÀ

B

A

A


отдает тепло окружающейсреде, например, воздухуили воде (поток В рис. 3.2.2,линия 2–3, рис. 3.2.3).Естественно, что темпера!тура среды, окружающейконденсатор, должна бытьниже температуры жидко!го хладагента.

Для того чтобы жидкийхладагент начал испаряться, необходимо снизить егодавление. Это осуществля!ется с помощью регулиру!ющего вентиля, на входекоторого давление высо!кое, а на выходе — низкое(кривая 3–4, рис. 3.2.3).

Таким образом, мы получаем замкнутый цикл холодильной маши!ны, которая с помощью испарителя отбирает тепло из холодильнойкамеры и с помощью конденсатора отдает его другой среде.

Тепло, отобранное испарителем, пропорционально площадиb–1–4–а, а отданное конденсатором — площади b–1–2–3–4–а.Работа холодильной машины, затраченная на выполнение цикла,пропорциональна площади 1–2–3–4.

Французский инженер Карно (1824) рассчитал цикл холодильноймашины, которая выполняет максимальную работу при минималь!ных затратах, то есть идеальный холодильный цикл (рис. 3.2.4).

Такой цикл состоит из:• адиабатического сжатия паров в компрессоре (кривая 1–2);• изотермической конденсации паров в конденсаторе (кривая 2–3);• адиабатического расширения жидкости в расширителе (кривая 3–4);• изотермического парообразования жидкости в испарителе (4–1).Цикл Карно является двухтемпературным, то есть теплообмен

происходит между двумя источниками:• холодным источником (испарителем), который при температуре

Т0 поглощает тепло Q0;• горячим источником (конденсатором), который при температуре

Тк отдает в окружающую среду тепло Qк.Цикл Карно теоретически можно осуществить с помощью следую!

щих элементов:1. Компрессора без потерь, который адиабатически (без теплообмена

58

Рис. 3.2.3. Диаграмма холодильного циклав P�V координатах

4 1

3 2

а b


на с внешней средой) сжимаетвлажный пар. Совершаемая ра!бота затрачивается исключительно на изменение внутреннейэнергии газа (линия 1–2,рис. 3.2.4). В процессе сжатиякапли жидкости испаряются,и в точке 2 образуется сухойнасыщенный пар.

2. Конденсатора бесконечнойповерхности, в котором парпревращается в жидкость притемпературе окружающей сре!ды (процесс 2–3).

3. Регулирующего вентиля без потерь, в котором жидкостьадиабатически расширяется (линия 3–4).

4. Испарителя бесконечной поверхности, в котором вся жидкость превращается в пар при температуре холодного источникаТ0 (линия 4–1).

P�V диаграмма холодильного цикла дает возможность определитьхолодопроизводительность холодильной машины и затраченнуюэнергию путем измерения площади, заключенной между линиямипроцессов. Однако выбрать цикл с максимальным КПД по этой диаг!рамме затруднительно. Данный процесс лучше исследовать на диаг!рамме “температура–энтропия” (T�S диаграмма). Это связано с тем,что в T�S диаграмме холодильный цикл может быть представлен пря!мыми линиями. Определение площадей, ограниченных прямыми ли!ниями, намного проще, а результаты точнее.

Все механические, электрические и магнитныепроцессы можно разделить на обратимые и необратимые.

Обратимые процессы — это такие процессы, в которых исходноесостояние может быть достигнуто без каких!либо остаточных изме!нений системы. Например, механические или электрические колеба!ния протекают обратимо, так как они периодически попадают в ис!ходное состояние.

Идеальные обратимые процессы характеризуются следующимипризнаками:

1. Исходное состояние достигается путем обратного хода процесса(колебание маятника).

2. Восстановление исходного состояния не требует подвода энер!гии извне.

59

Рис. 3.2.4. Диаграмма холодиль!ного цикла Карно вP�V координатах

к

к

T�S ДИАГРАММА ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА3.2.2.


3. Обратимый процесс не оставляет ни в одном из участвующих впроцессе тел остаточных изменений состояния.

Противоположностью обратимых процессов являются процессынеобратимые, например, пластические процессы деформации тел,химические реакции, передача энергии излучением.

Необратимые процессы характеризуются следующими признаками:1. Все необратимые процессы сами по себе протекают только в

одном направлении. Например, запах духов обратно во флаконне возвращается.

2. При всех необратимых процессах работа растрачивается, то есть упускается возможность совершить полезную работу. Вместополезной работы происходит только нагревание тел (нагретыйгаз в поршне идет на передвижение поршня, но часть тепла из!лучается в пространство). Для непрерывности необратимогопроцесса необходимо пополнять систему энергией извне.

3. В замкнутых системах необратимые процессы приводят к оста!точным изменениям состояния систем.

Для количественной оцен!ки степени совершенства обра!тимых процессов Клаузис(1882) ввел понятие энтропии,сущность которого заключает!ся в следующем.

Всякое движение частицстремится к беспорядку. Энт!ропия характеризует, насколь!ко далеко ушло направленное(упорядоченное) движениечастиц к беспорядку и насколь!ко трудно (или невозможно)осуществить обратный пере!ход. По сути, энтропия харак!теризует процесс теплообменасистемы с окружающей средой.

При выполнении процессасжатия в цилиндре с поршнем

механическую энергию в P�V диаграмме (рис. 3.2.5) можно предста!вить как площадь, заключенную между кривой процесса и осьюординат:

dW = p·dV. (3.2.1)

60

Рис. 3.2.5. Графическое представление работы при сжатии газа в P�V диаграмме

Аналогично оценку тепловой энергии можно определить как dq=T·ds,

откуда

Тогда энтропия будет равна:

(3.2.2)

На рис. 3.2.6 показано эле!ментарное количество тепла(dq) как произведение абсо!лютной температуры Т на из!менение параметра состояния,называемого энтропией.

При исследовании тепло!вых процессов важно не абсо!лютное значение энтропии от!носительно S = 0 при Табс = 0, аизменение (прирост) энтропиирабочего тела в процессе теп!лового цикла:

(3.2.3)

где Qпогл — обратимо поглощенная энергия;Т — абсолютная температура при поглощении.Обратимый процесс без потерь с ∆S = 0 практически недостижим.

В реальных замкнутых системах ∆S > 0.

Пример. Возрастание энтропии при плавлении.Пусть тело массой M имеет удельную энтальпию(теплосодержание) плавления I и температуру плавле!ния Тпл.Процесс плавления происходит в среде с температурой,превышающей Тпл на исчезающе малую величину.Энтальпия плавления I поглощается практическипри температуре плавления. В этом случае энтропияплавящегося тела возрастет на величину

а удельное приращение энтропии составит:

Р а з д е л 3. Теоретические основы технологии получения холода 61

Рис. 3.2.6. Графическое представление элементарной энтропии


Так, для воды Тпл = 273,16 К, І = 3,35 · 105 Вт·с/кг, а удельное приращение энтропии составит:

Для ртути соответственно Тпл = 234,1 K; І = 11,8 · 103 Вт·с/кг,удельное приращение энтропии

Пример. Возрастание энтропии при испарении.Пусть тело массой M имеет удельную энтальпиюиспарения r, тогда приращение энтропии при ис!парении составит:

Для воды (Тисп = 373,16 К и r = 2,26 · 105 Вт·с/K) удельное приращение энтропии составит 6,06·103 Вт·с/(кг·K).

Понятие энтропии довольно сложное. Так, в [21] по этому поводусказано: “Не будем забывать, что понятие энергии является интуи!тивным, а энтропии — абстрактным, и что они были восприняты че!ловеком лишь недавно и с большим трудом”.

Важным является то, что наT�S диаграмме идеальный циклКарно отображается прямоу!гольником (рис. 3.2.7).

Энтропийное сжатие хлада!гента происходит по прямой2–3; изотермическая конденса!ция — 3–4; адиабатическое рас!ширение — 4–1; изотермичес!кое парообразование — 1–2.

Рис. 3.2.7. Цикл Карно на T�S диаграмме

62

1 2

4 3

b a

На T�S диаграмме обозначе!ны области (рис. 3.2.7):

С — тройная точка; I — жид!кая фаза хладагента; II — паро!жидкостная фаза; III — газооб!разная фаза.

На T�S диаграмме площадьпрямоугольника a–3–4–b пред!ставляет количество тепла, от!данного конденсатором (qк).Площадь прямоугольника a–2––1–в эквивалентна количествутепла, отбираемого хладагентом(q0). Разность этих площадей,или площадь 1–2–3–4, есть зат!раченная работа (W).

Из диаграммы следует, чтоколичество тепла, отданное кон!денсатором,

qк = q0 + W. (3.2.4)

Холодильный коэффициент, равный отношению холодопроизводи!тельности к затраченной работе, равен:

(3.2.5)

Значения холодильного коэффициента e для идеального циклаКарно в зависимости от температуры испарения при температурахконденсации 20 °С, 30 °С и 40 °С показаны на рис. 3.2.8.

Холодильный цикл реальной холодильной машины значительноотличается от цикла Карно, что связано со следующими обстоятель!ствами:

1. Необходимость перегрева хладагента в процессе парообразованияв испарителе

Рассмотрим парокомпрессионный цикл с хладагентом R22 и тем!пературой испарения +5°С, обычно используемый при комфортномкондиционировании (рис. 3.2.9).

В точке 1 на входе испарителя (рис. 3.2.10) давление составляетпримерно 4,8 бара, а температура +5 °С. (Точные значения термодина!мических параметров хладагента R22 приведены в табл. 3.2.1—3.2.4).Жидкость начинает испаряться, и чем ближе к точке 2, тем больше виспарителе пара и меньше жидкости. Однако давление и температура


Рис. 3.2.8. Зависимость холодильного коэффициента от температу!ры кипения и конденсации

a. Tк = 293,15 K; tк = 20°Сb. Tк = 303,15 K; tк = 30°Сc. Tк = 313,15 K; tк = 40°С

а b с


по всей длине испарителяостаются постоянными.В точке 2 жидкости уже нет,есть только пар.

Однако производить сжа!тие в этой точке еще нельзя,так как из!за изменения,например, температуры ок!ружающей среды точка 2 мо!жет “плавать”, сдвигаясь приэтом в область парожидкост!ной фазы. Поступление час!ти жидкости в компрессорможет привести к гидроди!намическому удару и выходукомпрессора из строя.

Поэтому отбор тепла производят до тех пор, пока на выходе из ис!парителя не произойдет перегрев пара на 5–8 K выше температурыкипения (точка 3). Этот режим называется режимом “сухого хода”.Кроме того, данный режим обеспечивает повышение холодопроизво!дительности холодильной машины.

Температуру испарения следует выбирать как можно выше, таккак повышение температуры испарения на 1 °С ведет к повышениюхолодопроизводительности на 3–5 %.

Рис. 3.2.10. Процесс испарения в испарителе холодильной машины

64

Рис. 3.2.9. Реальный цикл холодильной машины на T!S диаграмме

7'

1

2 3


Рассмотрим, что происходит с охлажденным воздухом, который с помощью вентилятора проходит через испаритель.

Пусть температура воздуха на входе в испаритель равна 22 °С, а навыходе 15 °С. Перепад температуры воздуха составляет ∆tвозд=22–15==7 °С, а полный перепад между температурой хладагента (5 °С) и тем!пературой воздуха на входе составит:

∆θполн = 22 – 5 = 17°С.

∆θполн и ∆tвозд зависят от температуры и влажности окружающеговоздуха. Как правило, для испарителей, охлаждающих воздух, могутбыть приняты следующие значения:

∆tвозд = 6–10 K; ∆θполн = 16–20 K.

2. Наличие потерь в компрессореПотери в компрессоре возникают из!за трения, наличия мертвого

объема, наличия масла в хладагенте, охлаждения встроенного элект!родвигателя хладагентом и др. Эти потери можно уменьшить, увели!чив степень сжатия и температуру сжатого хладагента до 60–70 °С(линия 3–4, рис. 3.2.9), хотя температура конденсации должна бытьоколо 40 °С.

Разность между температурой конденсации и температурой ок�ружающей среды должна быть как можно меньше, так как сниже�ние температуры конденсации на 1 °С ведет к увеличению холодоп�роизводительности на 1 %.

3. Снятие перегрева и переохлаждение конденсатораУчитывая, что для исключения потерь в компрессоре температура

хладагента повышена до 60–70 °С, то при конденсации нам необходи!мо прежде всего снять перегрев и привести хладагент к требуемойтемпературе конденсации (линия 4–5, рис. 3.2.9).

На вход конденсатора поступает хладагент в виде перегретого парас температурой t = 70 °C (точка 4, рис. 3.2.11 и 3.2.12). Воздух, прохо!дящий через конденсатор (вконденсаторах с воздушным ох!лаждением), охлаждает хлада!гент при постоянном давлении.

Хладагент начинает конденси!роваться и в точке 5 появляютсяпервые капли жидкости. По мереприближения к точке 6 количест!во жидкой фракции будет увели!чиваться, а в точке 6 жидкость

65

Рис. 3.2.11. Изменение температуры по длине конденсатора

t,


достигнет 100 %. Однако дросселировать газ в этой точке нецелесооб!разно из!за возможных потерь при дросселировании.

Потери при дросселировании определяются физическими свой!ствами холодильного агента, а также интервалом температур до ипосле дросселирования — чем больше интервал, тем больше потери.Поэтому одним из способов снижения потерь является уменьшениеэтого интервала путем понижения температуры жидкого хладагентаперед дросселированием.

Это обеспечивается переохлаждением хладагента в конденсаторена 5–8 K относительно температуры конденсации. Процесс переох!лаждения идет по лини 6–7' (рис. 3.2.9), а в ряде случаев линия пере!охлаждения совпадает с пограничной кривой (линия 6–7).

В точке 7 в кондиционерах давление составляет 15 бар, температу!ра — 32–35 °С. Перепад температур воздуха, охлаждающего конденса!тор, составляет 5–10 K. Температура конденсации должна быть на10–15 K выше температуры окружающей среды.

4. Потери при дросселированииХотя в парокомпрессионном цикле работа расширения составляет

небольшую часть работы цикла, обеспечить адиабатическое расшире!ние крайне сложно. Поэтому применяют дросселирование с по!мощью терморегулирующего вентиля (ТРВ) или трубки малого сече!ния (капиллярной трубки). Дросселирование обеспечивает пониже!ние давления без изменения энтальпии. Однако в процессе дроссели!рования реальных газов температура понижается меньше, чем приадиабатическом расширении. Это объясняется наличием частичногопарообразования за счет выделения теплоты трения в процессе дрос!селирования. Вследствие этого снижаются полезная работа расшире!ния и холодопроизводительность. Этот необратимый процесс идет сувеличением удельной энтропии. Следовательно, на T�S диаграмме(рис. 3.2.9) линия процесса дросселирования пойдет не вертикальновниз (S = const), а наклонно (линия 7–1).

66Рис. 3.2.12. Процесс конденсации

в холодильной машине


Таким образом, на T�S диаграмме парокомпрессионный цикл опи!сывается следующими процессами:

1–2 — отбор тепла от охлаждаемой среды при парообразовании(кипении) хладагента в испарителе при постоянном давлении;

2–3 — отбор тепла от охлаждаемой среды при перегреве газообраз!ного хладагента в испарителе;

3–4 — сжатие хладагента компрессором;4–5 — снятие перегрева хладагента в конденсаторе;5–6 — конденсация хладагента;6–7 или 6–7' — переохлаждение хладагента;7–1 или 7'–1 — дросселирование хладагента.

Удельная холодопроизводительность (на 1 кг хладагента) пропорци!ональна площади a–1–2–3–d. Затраченная работа — площади1–2–3–4–5–6–7'.

Энергия, отданная конденсатором, пропорциональна сумме выше!указанных площадей, то есть площади a–1–7'–6–5–4–3–d.

Увеличение холодопроизводительности за счет переохлажденияконденсатора равно площади a–1–1'–b.

Увеличение холодопроизводительности за счет перегрева хлада!гента при кипении равно площади c–2–3–d.

При всей наглядности прохождения физических процессов в холо!дильной машине на T�S и P�V диаграммах производить расчеты по нимне совсем удобно, так как для определения холодопроизводительностии затраченной работы необходимо на диаграмме измерять площадимногоугольников. Расчеты обычно производят по энтальпийной диаг!рамме (P�I диаграмма), в которой количество тепла, участвующего впроцессах, отображается не площадями, а прямолинейными отрезками.

При расчетах холодильных машин используютдва варианта P�I диаграмм. Эти варианты отличаются масштабом осидавления: в одном случае — это Р, в другом — lg P.

Диаграмма P�I более точна в области критической точки и приме!няется, например, для хладагента CO2, холодильный цикл котороголежит в окрестности критической точки. Для остальных хладагентов,используемых далеко от критической точки, удобнее работать с диаг!раммой lg P�I.

Так как в кондиционерах в основном использовался хладагент R22,рассмотрение lg P�I диаграммы будем вести на примере этого хладаген!та (рис. 3.2.17). В настоящее время идет замена хладагента R22 на аль!тернативные (R407C, R410A), термодинамические свойства которыханалогичны хладагенту R22.

На lg P�I диаграмме по оси абсцисс откладывается удельная энталь!пия I (кДж/кг). В приведенной диаграмме (3.2.17, а) начало координат

67

P�I ДИАГРАММА ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛА3.2.3.


обозначено 80 кДж/кг, а удель!ная энтальпия при температуре0 °С cоставляет 200 кДж/кг. Внекоторых диаграммах выбра!ны другие значения энтальпиив этих точках. Однако это неотражается на результатах рас!четов, так как важна разностьэнтальпии двух состоянийвещества, а не абсолютное еезначение.

Ось ординат представляетсобой логарифмическую шкалу,на которой нанесено значениедавления в барах. В центре ди!аграммы расположена подково!образная линия, верхняя точкакоторой является критическойи обозначена Скр. Эта линияразделяет плоскость диаграм!мы на три области. В области І(рис. 3.2.13) хладагент находит!ся в жидком состоянии, в облас!ти ІІ — в парожидкостном(двухфазное состояние), в об!ласти III — в состоянии перег!ретого пара.

В области ІІ проходят кри!вые x (кривые сухости), отме!

ченные показателем процентного содержания пара в смеси. Линия x =0,1 соответствует состоянию газа с 10 % содержанием пара и 90 % со!держанием жидкости. Кривые x = 0 и x = 1 являются пограничными ли!ниями. Линия х = 0 — это линия жидкого хладагента, а линия х = 1 —это линия пара.

Обратим внимание на характер кривой постоянных значений темпе!ратуры (рис. 3.2.14). В области І изотерма вертикальна, в области ІІ —горизонтальна, а в области ІІІ — сначала криволинейна, а затем стре!мится стать вертикальной.

На диаграмме также изображены линии постоянного удельногообъема (рис. 3.2.15) и линии постоянной энтропии (рис. 3.2.16).

Для точного определения параметров термодинамического процес!са пользуются lg P�I диаграммами, выпускаемыми заводами!изготови!телями хладагента. Как правило, эти диаграммы выполнены в крупном

68

Рис. 3.2.13. Линии постоянной сухо!сти на lg P�I диаграмме

Рис. 3.2.14. Линии постояннойтемпературы (изотермы)на lg P�I диаграмме

lg P

lg P

I

I

Хладагент R22



масштабе и очень точно, чтопозволяет использовать их длярасчетов. Кроме того, имеютсятаблицы состояния хладагентапри различных температурах, атакже таблицы удельного объе!ма, энтальпии и энтропии хла!дагента в различных состояни!ях (на линии насыщения, перег!ретого пара) (табл. 3.2.1).

Энтальпийная диаграммадля хладагента R22 изображенана рис. 3.2.17, а, и рис. 3.2.17, б.В табл. 3.2.1 приведены термо!динамические характеристикихладагента R22 на линии насы!щения. Удельный объем, эн!тальпия и энтропия в состоя!нии перегретого пара для хлада!гента R22 приведены в табли!цах 3.2.2, 3.2.3, и 3.2.4.

Рассмотрим представлен!ный на lg P�I диаграмме теоре!тический цикл одноступенча!той компрессионной холодиль!ной машины, используемой длякондиционирования воздуха.

При кондиционированиитемпература воздуха, подавае!мого в помещение от кондицио!нера, должна быть положительной, а температура конденсации должнабыть выше температуры окружающей среды на 10–15 K. Поэтому тем!пературу кипения выбираем +5 °С, а конденсации +40 °С.

На lg P�I диаграмме (рис. 3.2.17) проведем линии постоянного дав!ления, соответствующие этим температурам. Это соответственно 5,838и 15,34 бара (точное значение определяем по таблицам). Термодинами!ческие характеристики хладагента на линии насыщения (точки 2, 5 и 6)определяем по таблице 3.2.1.

Рассмотрим процессы, происходящие в холодильных машинах сис!тем кондиционирования.

Изотермическое парообразованиеКак было показано ранее, процесс изотермического парообразова!

ния в холодильном цикле идет по линии 1–2, а затем продолжается до

69

Рис. 3.2.15. Линии постоянного удельного объема на lg P�I диаграмме

Рис. 3.2.16. Линии постоянной энтропиина lg P�I диаграмме

lg P

lg P



I

I

Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха70

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

38

040

042

044

046

048

050

052

054

056

0

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

520

540

560

80

0,02

0,02

50,

03

0,04

0,05

0,06

0,08

0,1

0,2

0,25

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

1,0

1,2

1,5

22,5

345681012152025304050 0,12

0,15

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,080,12

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

1,0

234568101215202530405060 1,2

1,5

2,5

0,25

Ди

агра

мм

а lg

P!I

хлад

аген

т R

22О

ОО

"И

ВИ

К"

!600

!500

!300

800

900

!100

01210865432,

52,01,5

1,21,0

0,80,6

0,5

0,4

0,30,25

0,15

0,12

0,08

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0,02

5

0,01

50,

012

0,00

80,

006

0,00

50,

004

0,1 =

0,2

м3 /мин

2,55

2,50

2,45

2,40

2,35

2,30

2,25

2,20

2,15

2,10

2,05

1,95

1,90

1,85

1,80

1,75

1,70

1,65

1,60

s=2,0

0 кДж/(к

г. К)

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

!200

!300

!400

!500

!600

!700

!800

t=00

x=0,5

0,4

0,6

0,7

0,8

0,9

0,3

0,2

Уде

льна

я эн

таль

пия,

кД

ж/к

г

Аб солютное давление, бар

8

1900

!100

0,1

700

600

500

400

200

100

300

!100t=

00C

!200

!400

!700

!800

!900

1

67

23

4

3

44

5

I

lg P

s=1,3 кДж/(кг.К)

Рис

. 3.2

.17,

а. l

g P

�Iди

агра

мм

а дл

я ф

реон

а R

!22

(пол

ная)


Рис

. 3.2

.17,

б. l

g P

�I д

иагр

амм

а дл

я ф

реон

а R

!22

(фра

гмен

т)


точки 3 (перегрев испарителя для исключения влажного хода комп!рессора).

Примем величину перегрева 5 K. Тогда точка 3 будет характеризо!ваться давлением Р = 5,838 бара и температурой t = +10 °С. По табли!це энтальпии перегретого пара (табл. 3.2.3) находим энтальпию при+5 °С (с учетом перегрева +5 °С) I3 = 410,9 кДж/кг.

Энтропию и удельный объем в точке 3 находим также по таблицам3.2.4 и 3.2.2:

S3 = 1,758 кДж/кг • К; V = 41,46 дм3/кг.

Изоэнтропийное сжатиеХладагент сжимается до давления Р = 15,34 бара (точка 4) по ли!

нии S = const. Точка 4 лежит на пересечении линий Р4 = 15,34 бара и S4 = 1,758. По таблице энтропии в состоянии перегретого пара (табли!ца 3.2.4) находим, что для указанных Р и S перегрев относительнотемпературы насыщения в точке 5 составляет +20 K. Так как темпера!тура хладагента в точке 5 составляет 40 °С, то в точке 4 соответствен!но t4 = 40+20 = 60 °C; V4 = 17,25 дм3/кг.

Из!за потерь давления на входе компрессор должен производитьвсасывание при давлении ниже давления испарения (участок 3–3′), а из!за потерь давления на выходе компрессор должен сжимать хла!дагент до давлений выше давления конденсации (участок 4′−4′′). Не!обходимость компенсации перечисленных потерь увеличивает рабо!ту сжатия (линия 3′–4′ ) и снижает эффективность цикла.

Отметим, что изоэнтропийное сжатие можно определить толькопри идеально теплоизолированном компрессоре. Так как ни одинкомпрессор не может быть идеален, при расчете необходимо вноситьпоправки.

КонденсацияКонденсация состоит из трех процессов: снятия перегрева, конден!

сации и переохлаждения.Из точки 4′′ по линии 4′′–5 идет процесс предварительного охлаж!

дения (снятие перегрева) хладагента, а по линии 5–6 — процесс кон!денсации. Отрезок 6–7 есть переохлаждение хладагента в конденса!торе. Напомним, что процесс переохлаждения необходим для обеспе!чения конденсации всего хладагента в конденсаторе и повышения эффективности дросселирования.

Примем переохлаждение равным 5 K, тогда точка 7 будет характе!ризоваться параметрами Р7 = 15,34; t7 = 35 °C; I7 = 242,0 кДж/кг.

Энтропия в этой части диаграммы не указана. Но это не играет ро!ли, так как нас интересуют значения энтальпии.

72


Изоэнтальпийное расширениеЭтот процесс идет по линии 7–1 при постоянной энтальпии.Параметры точки 1 находим, исходя из того, что Р1 = 5,838, а I1 = I7=

=242,0 кДж/кг. S7 и V7 находим по таблицам: S7 = 1,021 и V7! = 0,788 дм3/м.Результаты занесем в таблицу.

Таким образом, мы можем количественно оценить все термодина!мические процессы в холодильной машине.

1. Количество тепла, отобранного хладагентом в процессе изотер!мического преобразования жидкого хладагента в парообразный(скрытая теплота парообразования при давлении Р = 5,838 бара) илихолодопроизводительность холодильного цикла на 1 кг хладагента:

i2 — i1 = 407,15 — 242,0 = 165,15 кДж/кг.

2. Энтальпия перегрева между точками 2–3 составляет:

i3 — i2 = 410,9 — 407,15 = 3,75 кДж/кг.

3. Количество энергии, которое нужно подвести для сжатия хлада!гента из состояния 3 в состояние 4, составляет:

i4 — i3 = 435,0 — 410,9 = 24,1 кДж/кг.

4. Количество тепла, выделяемое хладагентом в процессе конден!сации, составляет:

i4 — i7 = 435,0 — 242,0 = 193,0 кДж/кг.

Кроме того, можно вычислить скрытую теплоту конденсации меж!ду точками 5 и 6:

iскр — i5 — i6= 416,6 — 249,81 = 166,79 кДж/кг.

Эта теплота конденсации равна теплоте парообразования между точ!ками 5–6 и указана в таблице 3.2.1.Теплота переохлаждения жидкости (6–7) равна:

i6 — i7 = 249,81 — 242,0 = 7,81 кДж/кг.

Холодопроизводительность холодильной машины Qпол равна:

Qпол = M(i2—i1),

73


где М — количество хладагента, прошедшее через испаритель за еди!ницу времени.

Работа сжатия, или затраченная энергия, равна:

Qзат = M (i4 — i3), кДж/c.

Холодильный коэффициент равен:

Холодильный цикл, показанный на рисунке 3.2.17, не учитываетреального политропного сжатия (потерь в компрессоре, потерь напо!ра в трубопроводах и арматуре). Потому ход линии сжатия в lg P�I ди!аграмме показан без соблюдения реального масштаба линией 3'�4',чтобы ярче отметить характер изменения.

Таблица 3.2.1. Характеристики хладагента R22 на линии насыщения

74


Таблица 3.2.2. Удельный объем хладагента R22 в состоянии перегретого пара

Таблица 3.2.3. Энтальпия хладагента R22 в состоянии перегретого пара

75


продолжение табл. 3.2.3.

Таблица 3.2.4. Энтропия хладагента R22 в состоянии перегретого пара

76


Исследуя реальный холодильный цикл путемизмерения параметров в определенных точках холодильной машины,можно оценить отклонения lg P�I диаграммы от нормы и, исходя изэтого, определить характер неисправности холодильной машины.Практически измеряют температуру и давление в характерных точ!ках холодильной машины, ток двигателя компрессора, перегрев испа!рителя, переохлаждение конденсатора.

Ниже приведены несколько примеров отклонения lg P�I диаграм!мы от нормы и причины этих отклонений (неисправности).

Высокое давление конденсацииПричинами повышенного давления при воздушном охлаждении

конденсатора могут быть:• отсутствие обдува конденсатора;• высокая наружная температура.Причинами повышенного давления при водяном охлаждении мо!

гут быть:• недостаточное количество охлаждающей воды;• высокая температура охлаждающей воды.Для обоих типов охлаждения:• загрязнение или частичная закупорка конденсатора;• наличие в системе воздуха или неконденсирующихся газов.1. На рис. 3.2.18 показана lg P�I диаграмма при “слабом” конден!

саторе, не обеспечивающем необходимой теплоотдачи.Характерными отклонениями lg P�I диаграммы и признаками явля!ются:

• повышение давления конденсации;• повышение температуры нагнетания;• повышение температуры испарения (незначительное);• уменьшение перепада температуры воздуха, проходящего че!

рез конденсатор;• увеличение рабочего тока компрессора;• появление пузырьков газа в жидкой фракции хладагента (наб!

людается в смотровом стекле на жидкостной линии);• повышение температуры головки компрессора;• возможны пульсации температуры на выходе ТРВ.Неисправности, которые могут возникнуть вследствие “слабого”

конденсатора:• отказ компрессора;• снижение холодопроизводительности;• перегрев компрессора.

77ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТИ ХОЛОДИЛЬНЫХМАШИН ПО lg P�I ДИАГРАММЕ

3.2.4.


Таблица 3.2.5. Изменение параметров при “слабом” конденсаторе

2. Второй причиной повышения давления конденсации можетбыть перезаправка холодильной машины хладагентом.

Характерными отклонениями при перезаправке хладагентом явля!ются (рис. 3.2.19):

• повышение давления конденсации;• повышение температуры нагнетания;• повышение переохлаждения.Неисправности, которые могут возникнуть при перезаправке хо!

лодильной машины:• отказ компрессора;• срабатывание датчика высокого давления;• перегрев компрессора.

78

Рис. 3.2.18. lg P�I диаграмма при “слабом”конденсаторе

Рис. 3.2.19. lg P�I диаграмма при перезаправке холодильной машины хладагентом


Таблица 3.2.6. Изменение параметров при перезаправке холодильной машиныхладагентом

Низкое давление испаренияПричинами низкого давления испарения могут быть:• недостаточное количество хладагента (недозаправка или утеч!

ка хладагента);• недостаточно хладагента проходит через регулятор подачи

хладагента (ТРВ или капиллярную трубку).1. При недостаточном количестве хладагента lg P�I диаграмма при!

мет вид, показанный на рис. 3.2.20.Характерными отклонениями lg P�I диаграммы являются:• снижение давления испарения;• снижение или отсутствие переохлаждения.Неисправности, которые могут возникнуть при недостаточном

количестве хладагента:• срабатывание датчика низкого давления;• отказ компрессора;• снижение холодопроизводительности;• уменьшение рабочего тока компрессора.

79

Рис. 3.2.20. lg P�I диаграмма при недостаточномколичестве хладагента


Таблица 3.2.7. Изменение параметров при недостаточном количестве хладагента

2. Недостаточное количество хладагента (рис. 3.2.21), проходящее че!рез регулятор потока, приводит к:

• снижению давления испарения;• повышению переохлаждения.Причинами этого может быть:• засорение фильтров, влагопоглотителя, регулятора потока;• неправильная настройка или неисправность ТРВ.Неисправности, которые могут возникнуть при недостаточном ко!

личестве хладагента, проходящем через регулятор потока:• срабатывание датчика низкого давления;• отказ компрессора;• снижение холодопроизводительности;• уменьшение рабочего тока компрессора.

Рис. 3.2.21. lg P�I диаграмма при недостаточном количестве хладагента,проходящего через регулятор потока

80


Таблица 3.2.8. Изменение параметров при недостаточном количестве хладагента, проходящего через регулятор потока

Высокое давление конденсации и испаренияПри использовании терморегулирующего вентиляСлишком большой поток хладагента, проходящий через вентиль,

приводит к повышению давления испарения (рис. 3.2.22).Причины могут быть следующими:• неточно отрегулирован ТРВ;• неправильно установлен термобаллон.

Таблица 3.2.9. Изменение параметров при неправильной настройке ТРВ

81

Рис. 3.2.22. lg P�I диаграмма при неправильной настройке ТРВ


Неисправности, которые могут возникнуть из!за избыточного ко!личества хладагента в установке, использующей ТРВ в качестве регу!лятора потока хладагента:

• отказ компрессора;• снижение холодопроизводительности;• уменьшение рабочего тока компрессора;• срабатывание датчика высокого давления.

При использовании капиллярной трубкиСлишком большой поток хладагента, проходящий через капилляр!

ную трубку, приводит к повышению давления испарения(рис. 3.2.23). Причина — избыточное количество хладагента в уста!новке. Неисправности, которые могут возникнуть из!за избыточногоколичества хладагента в установке с капиллярной трубкой в качестверегулятора потока хладагента:

• отказ компрессора;• снижение холодопроизводительности;• уменьшение рабочего тока компрессора;• срабатывание датчика высокого давления.

Таблица 3.2.10. Изменение параметров при большом потоке хладагента, проходящего через капиллярную трубку

82

Рис. 3.2.23. lg P�I диаграмма при большом потоке хладагента, проходящего через капилляр!ную трубку


Низкое давление испарения (“слабый” испаритель)Падение давления испарения может происходить из!за того, что в

испарителе не происходит достаточный теплообмен (рис. 3.2.24).Причины могут быть следующие:• недостаточный поток воздуха проходит через испаритель;

а) засорен воздушный фильтр;б) соскальзывает ремень вентилятора;в) вентилятор испарителя вращается в обратную сторону;г) засорен испаритель.

• низкая температура воздуха на входе в испаритель.Неисправности, которые могут возникнуть при низком давлении

испарения:• срабатывание датчика низкого давления;• отказ компрессора;• снижение холодопроизводительности;• уменьшение рабочего тока компрессора.

Таблица 3.2.11. Изменение параметров при “слабом” испарителе

83

Рис. 3.2.24. lg P�I диаграмма при “слабом” испарителе


Снижение переохлажденияПерегрузка по отбору холода (повышенный теплоприток) может

вызывать повышение давления испарения (рис. 3.2.25, табл. 3.2.12).Причины перегрузки могут быть следующие:• работа установки в условиях постоянного отбора холода (по!

вышенный теплоприток);• неправильный подбор оборудования (недостаточная холодо!

производительность).

Таблица 3.2.12. Изменение параметров при повышенных теплопритоках

Низкое давление конденсации и высокое давление испаренияНа рис. 3.2.26 представлен случай, когда давление конденсации ни!

же нормы, в то время как давление испарения превышает допустимоезначение. Подобное может происходить из!за неисправности комп!рессора (клапана на нагнетании или на всасывании).

84

Рис. 3.2.25. lg P�I диаграммапри повышенныхтеплопритоках


Таблица 3.2.13. Изменение параметров при неисправности компрессора

1 Несмотря на то, что коэффициент сжатия понижается, холодопроизводительность уве!личивается благодаря тому, что цикл сжатия в компрессоре сокращается.

С целью повышения энергетической эффектив!ности холодильных циклов применяют многокомпонентные хлада!генты. Многокомпонентный хладагент может проявлять свои свой!ства аналогично однокомпонентному, не разделяясь в процессе холо!дильного цикла на составляющие. Такой многокомпонентный хлада!гент называется азеотропным. Если в холодильном цикле каждая изсоставляющих многокомпонентного хладагента ведет себя как чистоевещество, независимо от наличия других хладагентов, такой хлада!гент называется неазеотропным. С помощью неазеотропных хлада!гентов можно получать многотемпературные холодильные машины.Так, французский ученый Л. Филипп предложил использовать смесьфреонов R12 и R22 для получения двухтемпературных уровнейв одной холодильной машине. Смеси с тройной ограниченной раство!римостью для трехтемпературной машины предложил использоватьА. Лавочкин.

85

Рис. 3.2.26. lg P�I диаграмма при неисправности компрессора

T�S И P�I ДИАГРАММЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ ЦИКЛОВМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ХЛАДАГЕНТОВ

3.2.5.


В [37] описана каскадная установка со смешанным холодильнымагентом, состоящим из четырех углеводородов. Холодильный циклимеет понижающуюся температуру кипения и адекватен четырем хо!лодильным циклам, соединенным в каскадную схему. Каждый из хла!дагентов смеси имеет свои температуры кипения и испарения, нопроцессы происходят в одном холодильном контуре и хладагентысжимаются одним компрессором.

Большой вклад в исследования многокомпонентных хладагентоввнесли Р. Хейвуд [30], советские исследователи М. Боярский, В. Лап!шин, Г. Лавренченко, В. Никольский, В. Ягодин.

Термостатирование с несколькими температурными уровнями ис!пользуется и для бытовых холодильных машин. Так, В. Никольскими др. были предложены новый способ получения холода с несколь!ким уровнями термостатирования (А. с. №1035354, СССР), а такжехолодильные агенты, позволяющие реализовать этот способ (А. с. №1033523, 1039944, 1028705, СССР). Сущность способа заключается втом, что в качестве высокотемпературного испарителя применяют ре!генеративный теплообменник “труба в трубе”, а компоненты, входя!щие в состав холодильного агента, имеют разные температуры испа!рения (рис. 3.2.27).

Полное ожижение смеси происходит при растворении парообраз!ных хладагентов, кипящих при более низких температурах, в жидкиххладагентах, кипящих при более высоких температурах. В качествехладагентов, кипящих при более низких температурах, используютфреоны R13 и R22, а при более высоких — R12, R318B2 и R142.

Хорошие результаты получены на следующих составах хладагентов:1) 10–15 % фреона R13, 10–15 % — R22, 20–70 % — R318B2,

остальное — R12;2) 5–35 % фреона R22, 25–75 % — R142, 5–45 % — СО2,

остальное — R12.Предложенный способ, многокомпонент!

ный хладагент и конструкция холодильногоагрегата, реализующие этот способ, позволилиснизить удельное потребление энергии быто!выми холодильниками на 25–40 %.

Смеси хладагентов на основе предельныхуглеводородов (А. с. № 1028705, СССР) по хо!лодопроизводительности несколько лучше,чем описанные выше. Однако из!за их пожаро!

86

Рис. 3.2.27. Схема одноступенчатой двухтемпературнойкомпрессионной холодильной машины:1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — регенеративныйиспаритель; 4 — капиллярная трубка; 5 — низкотемпера!турный испаритель


Рис. 3.2.28. Холодильный цикл на многокомпонентном хладагенте:а — T�S диаграмма; б — lg P�I диаграмма

опасности они пока не нашли широкого применения в массовом про!изводстве бытовых холодильников.

На рис. 3.2.27 показана схема одноступенчатой двухтемпературнойкомпрессионной машины, работающей на многокомпонентном хлада!генте. Машина состоит из компрессора 1, конденсатора 2, регенератив!ного теплообменника 3, дросселя 4 и испарителя 5. В низкотемпера!турной камере испаритель обеспечивает температуру от –18 до –24 °С,а в высокотемпературной камере в качестве испарителя регенератив!ный теплообменник обеспечивает температуру от 0 до +5 °С. Получе!ние холода в одноступенчатой двухтемпературной компрессионнойхолодильной машине осуществляется следующим образом. Находя!щееся в парообразном состоянии рабочее вещество сжимается вкомпрессоре 1 и поступает в конденсатор 2. Процесс сжатия смеси со!ответствует линии 3–4 (рис. 3.2.28, а). В конденсаторе сжатое рабочеевещество охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду. Вслед!ствие отвода тепла от паров рабочего вещества компоненты фреонов,кипящие при более высокой температуре (фреоны R318B2 и R12),конденсируются, т. е. рабочее вещество частично сжижается до обра!зования парожидкостной смеси (линия 4–5–5').

Далее осуществляется полное ожижение рабочего вещества раство!рением компонентов, кипящих при более низких температурах (фрео!ны R22 и R13), в сжиженных компонентах (линия 5'–6). Ожиженноерабочее вещество (прямой поток) переохлаждается в регенеративномтеплообменнике 3 (рис. 3.2.27) парожидкостной эмульсией (обратныйпоток), образовавшейся за счет частичного испарения рабочего вещест!ва в испарителе 5 (линия 6–7). Затем рабочее вещество дросселируется(линия 7–1) и поступает в испаритель 5. Здесь хладагент кипит,

87


теплота, необходимая для кипения, отнимается от охлаждаемого тела(камеры), вследствие чего температура камеры понижается до –24 °С.При этом осуществляется процесс частичного испарения (линия1–1', рис. 3.2.28, а), когда испаряется большая часть компонентов сболее низкой температурой кипения (R13 и часть фреона R22). Пос!ле выхода парожидкостной эмульсии из испарителя 5 заканчиваетсяиспарение фреона R22 и начинается испарение рабочего вещества сболее высокой температурой кипения (R12 и R318B2).

Процесс полного испарения рабочего вещества осуществляется врегенеративном теплообменнике 3 (линия 1'– 2), где необходимаядля кипения теплота отнимается от прямого потока. Образовавшиесяпары рабочего вещества отсасываются компрессором для сжатия, ицикл холодильной машины замыкается. Эти же процессы изображе!ны на lg P�I диаграмме (рис. 3.2.28, б) для фреона R12 и многокомпо!нентного хладагента R701.

Предложенный способ получения холода в одноступенчатой холо!дильной машине позволяет получить полное ожижение рабочего ве!щества при меньшем давлении конденсации, что уменьшает, в своюочередь, отношение давления нагнетания к давлению всасывания иобеспечивает увеличение удельной холодопроизводительности. Кро!ме того, уменьшение отношения давления нагнетания к давлениювсасывания позволяет повысить КПД компрессора за счет сниженияв нем энергетических потерь.

Из T�S диаграммы (рис. 3.2.28, а) видно, что холодопроизводитель!ность цикла на многокомпонентном хладагенте выше, чем цикла наоднокомпонентном хладагенте. Из lg P�I диаграммы (рис. 3.2.28, б)следует, что коэффициент подачи (отношение давления на входе кдавлению на выходе) компрессора на многокомпонентном хладаген!те меньше, что повышает его КПД и, следовательно, уменьшаетудельное энергопотребление.

T�S диаграмма холодильного цикла многокомпонентного хлада!гента принципиально отличатся от диаграммы однокомпонентногохладагента: процессы испарения и конденсации происходят при из!меняющейся температуре.

С помощью холодильного агента осуществляетсяхолодильный цикл. Это возможно благодаря тому, что хладагент приодном и том же давлении может изменять свою температуру за счетизменения агрегатного состояния.

88

ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАХЛАДАГЕНТОВ

3.3.3.3.1.

Documents

3.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН · Раздел 3. Т еоретические основы технологии получения