Визначте, правильні (п) чи неправильні (н) твердження

Как уже отмечалось, холодильные установки и тепловые насосы работают по обратным (против хода часовой стрелки) круговым процессам или циклам. В заданном интервале температур теоретически наиболее выгодным циклом холодильной установки является обратный цикл Карно. Однако из-за конструктивных трудностей и больших потерь на трение обратный цикл Карно неосуществим. Он служит некоторым эталоном, с которым сравнивают эффективность действительных циклов холодильных установок.

Цикл повітряної холодильної установки. В промышленных масштабах холод впервые был получен с помощью воздушных компрессорных холодильных установок (рис. 8.1, а). Воздух, являющийся хладагентом, после холодильной камеры (рефрижератора) Р направляется в турбокомпрессор ТК, где за счет затраты удельной работы адиабатно сжимается до давления р ₂ с повышением температуры от до . Сжатый в турбокомпрессоре воздух затем поступает в теплообменник ТО, где его температура понижается до в изобарном процессе 2-3 (рис. 8.1, б) за счет отдачи удельной теплоты окружающей среде (проточной воде). Охлажденный воздух направляется в расширительную машину (турбодетандер) ТТ, адибатно расширяется (процесс 3-4) в ней с отдачей удельной работы турбокомпрессору. Поэтому удельная работа, затрачиваемая в цикле, = – .

Адиабатное расширение воздуха сопровождается понижением его температуры от до . Охлажденный таким образом воздух; проходит через рефрижератор Р, в котором холодильная установка поддерживает требуемую низкую температуру. Здесь происходит отбор теплоты от охлаждаемой среды и за счет этого нагрев воздуха от до при р = const (процесс 4-1). Далее воздух направляется в турбокомпрессор и цикл повторяется. Таким образом, в результате осуществления цикла удельная теплота передается с более низкого температурного уровня на более высокий . Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью выражение холодильного коэффициента цикла запишем в виде)

Для обратного цикла Карно, совершаемого в одном и том же интервале предельных температур и (цикл 1-2'-3-3' на рис. 8.1, б) холодильный коэффициент определяется

Выражением

Так как < , то > . Этот вывод наглядно иллюстрируется Т – s -диаграммой (см. рис. 8.1, б), из которой следует, что в цикле воздушной компрессорной холодильной установки отбирается меньше теплоты, чем в обратном цикле Карно (пл. 4-1 - s ₁- s ₂ < пл. 3'-1-s₁-s₄), а затрачивается работы значительно больше. Кроме того, из-за малой теплоемкости воздуха такие установки отличаются малой хладопроизводительностью и требуют больших объемов воздуха, т. е. громоздкого оборудования.

Цикл парокомпресорної холодильної установки. Более выгодны и удобны по сравнению с воздушными паровые компрессорные холодильные установки, позволяющие в области насыщенного пара осуществить изотермические отвод и подвод теплоты, отбираемой у охлаждающей среды, и приблизить холодильный цикл к обратному циклу Карно. В качестве хладагентов в этих установках используются пары жидкостей, температура кипения (насыщения) которых при атмосферном давлении ниже 0 °С (низко-кипящие жидкости): аммиак ( = –35 ^оС), фреон-12 ( = –30 ^оС), хлористый метил ( = —23 ^оС) и др.

Схема паровой компрессорной холодильной установки и цикл ее работы показаны на рис. 8.2. Влажный насыщенный пар хладагента всасывается компрессором и адиабатно сжимается (процесс 1-2) с затратой удельной внешней работы . После компрессора сжатый пар поступает в конденсатор К, где при постоянных давлении и температуре за счет отвода охлаждающей средой (вода, воздушная среда) от пара удельной теплоты осуществляется полная конденсация пара (процесс 2-3).

Для снижение температуры хладагента можно применить расширительную машину (детандер) и осуществить в ней адиабатное расширение 3-4' (с выполнением удельной внешней работы за счет убыли внутренней энергии). Образовавшаяся парожидкостная смесь (влажный пар) с низкой температурой поступает по трубам в испаритель И, установленный в холодильной камере ХК, где находятся охлаждаемые тела, и отбирает у них удельную теплоту .За счет этой теплоты происходит дальнейшее испарение жидкой фазы хладагента при постоянных температуре и давлении (процесс 4'-1') и образовавшийся пар вновь засасывается компрессором К'.

Совершенно очевидно, что холодильный коэффициент рассмотренного цикла 1'2'34'1' равен холодильному коэффициенту оратного цикла Карно и зависит только от температуры насыщения пара при испарении и температуры его конденсации .

Несмотря на то, что в заданном интервале температур от до обратный цикл Карно обеспечивает максимальный холодильный коэффициент, по техническим и эксплуатационным причинам при создании холодильных установок вносят ряд изменений.

Из-за сложности создания детандера, работающего на влажном паре, и малой получаемой работы расширительную машину заменяют регулирующим дроссельным вентилем ДВ или каким-либо другим устройством (диафрагмой, капиллярной трубкой), в котором хладагент после конденсатора дросселируется с понижением давления и температуры (процесс 3-4). Поскольку процесс дросселирования является необратимым, на Т – s- диаграмме он показан условно штриховой кривой h = const. Необратимость дросселирования приводит к уменьшению хладопроизводительности установки по сравнению с циклом Карно на величину = пл. 4'4а3'4' и снижению холодильного коэффициента. Несмотря на это применение дросселирования хладагента является простым и удобным способом его охлаждения и регулирования температуры пара, поступающего в испаритель.

В цикле Карно компрессор всасывает влажный пар хладагента (точка 1') и сжимает его до состояния сухого насыщенного пара {точка 2'). Из-за неблагоприятных гидродинамических условий работы компрессора (попадание жидкости в цилиндр может вызвать гидравлический удар) и уменьшения тепловых потерь (теплообмен при влажном паре более интенсивный, чем при перегретом) перед подачей в компрессор влажный пар сепарируют до состояния сухого насыщенного пара (точка 1), так что процесс сжатия происходит в области перегретого пара. При этом, несмотря на увеличение затраты работы на сжатие, хладопроизводительность установки также повышается на величину = 1'1bb'1'. Таким образом, теоретический цикл реальной паровой компрессорной установки состоит из процессов адиабатного сжатия 1-2, изобарного охлаждения и конденсации 2-2' - 3, дросселирования 3-4 и испарения 4-1 паров хладагента.

Эффективность цикла паровой компрессорной установки характеризуется холодильным коэффициентом

,

где – удельное количество теплоты, отнятой хладагентом от охлажденной среды (удельная хладопроизводительность) и характеризуемой площадью 41bа4, причем для изобарного процесса ; – удельное количество теплоты, переданной в конденсатор от охлаждающей среды при постоянном давлении, причем = пл. 233'b2' = . Тогда с учетом того, что при дросселировании выражение холодильного коэффициента примет вид

.

Расчеты показывают, что при = –10 ^оС и = 30 ^оС холодильный коэффициент для аммиака = 4,85, для фреона-12 = 4,72, для углекислоты = 2,56 (для обратного цикла Карно при этих температурах = 5,74).

В отличие от холодильного коэффициента обратного цикла Карно, зависящего только от температур и , холодильный коэффициент цикла с дросселированием пара зависит дополнительно от свойств хладагента. Так как то увеличение удельной теплоты парообразования хладагента повышает удельную хладопроизводительность установки и холодильный коэффициент. Значение дроссельных потерь связано с изменением удельной энтропии при дросселировании. Чем меньше удельная теплоемкость хладагента, тем меньше увеличение удельной энтропии и тем больше.Поэтому чем больше удельная теплота парообразования и меньше удельная теплоемкость хладагента, тем эффективнее цикл. Кроме того, к хладагентам предъявляется ряд особых требований:

давление насыщенного пара хладагента, соответствующее требуемым низким температурам (температура конденсации), должно быть выше атмосферного, поскольку при этом легче бороться с утечкой хладагента, чем с подсосом воздуха при вакууме. Попадающий в хладагент воздух сильно ухудшает теплопередачу и содержит влагу, которая может замерзать при низкой температуре;

давление пара при наивысших температурах в цикле (в конденсаторе) не должно быть высоким в целях облегчения конструкции и поддержания надежной плотности в соединениях;

хладагенты не должны оказывать вредного действия на здоровье человека и не должны обладать корродирующими свойствами.

Наиболее распространенным хладагентом является аммиак, обеспечивающий достаточно высокие холодильные коэффициенты и относительно невысокие давления в цикле. Однако из-за токсичности аммиака в последнее время широкое применение получили фреоны (в частности, фреон-12), которые нетоксичны и невзрывоопасны. По термодинамическим свойствам фреон-12 близок к аммиаку, хотя меньшая его удельная теплота парообразования обусловливает больший расход хладагента.

Цикл абсорбційної холодильної установки. В абсорбционных холодильных установках циркуляция хладагента осуществляется в результате процесса абсорбции (поглощения паров хладагента жидким растворителем – абсорбентом). В связи с этим у них в отличие от компрессорных холодильных установок круговой процесс обеспечивается не одним рабочим веществом, а бинарной смесью веществ (раствором), имеющих значительную разницу в температурах кипения при одинаковом давлении. Наиболее часто применяются водоаммиачные абсорбционные установки, в которых аммиак служит хладагентом, а вода – абсорбентом (при температуре t = 0 °С в одном объеме воды поглощается до 1160 объемов аммиака). Кроме водяного раствора аммиака, используются растворы бромистого лития и хлористого калия.

Простейшая схема абсорбционной холодильной установки показана на рис. 8.3. В кипятильнике (парогенераторе) ПГ, содержащем концентрированный водоаммиачный раствор, за счет затрачиваемой извне удельной теплоты происходит выпаривание из раствора аммиака (низкокипящий компонент) при постоянном давлении р ₁. Полученный пар аммиака направляется в конденсатор К, где он, отдавая удельную теплоту охлаждающей воде, конденсируется при р ₁ = const.

Конденсат аммиака, проходя через дроссельный вентиль ДВ2, понижает давление от р ₁ до р ₂ и температуру от t ₁ до t ₂. Образовавшаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь направляется в испаритель холодильной камеры ХК. Отбирая теплоту от охлаждаемой среды, аммиак в испарителе продолжает испаряться при давлении р ₂ = const и неизменной температуре.

Образовавшийся пар аммиака отводится в абсорбер А, где поглощается (абсорбируется) слабым раствором с повышением температуры (экзотермическая реакция). Чтобы не уменьшалась поглотительная способность раствора, теплота абсорбции отводится охлаждающей водой и постоянно добавляется чистый абсорбент через дроссельный вентиль ДВ1 парогенератора ПГ. Полученный крепкий водоаммиачный раствор перекачивается насосом Н в парогенератор ПГ, и цикл повторяется сначала.

Сравнивая компрессорную и абсорбционную установки, можно отметить, что парогенератор ПГ в абсорбционной установке заменяет нагнетательный клапан поршневого компрессора, а абсорбер А – всасывающий; при этом извне затрачивается не механическая работа, а теплота. Так как затрата энергии в абсорбционной установке происходит в виде удельной теплоты , то ее эффективность характеризуется коэффициентом использования теплоты , равным отношению удельного количества теплоты , отнятой от охлаждаемого объекта (хладопроизводительности), к затраченной на это удельной теплоте :

= 0,2 … 0,8.

Несмотря на сравнительно низкую термодинамическую эффективность абсорбционных холодильных установок они получили большое распространение ввиду простоты и небольшой стоимости. Кроме того, эти установки позволяют использовать (утилизировать) отработанную низкопотенциальную теплоту (вторичные энергоресурсы), а также теплоту солнечных батарей.

Цикл теплового насосу. Тепловими насосами називаються установки, що призначені для збільшення потенціалу низькотемпературної теплоти за рахунок витрат електроенергії чи іншої високопотенціальної енергії. Вони застосовуються для нагрівання об’єкта, наприклад для опалювання приміщень. Як і холодильна установка, тепловий насос (рис.8.4) працює за оберненим циклом, тобто за рахунок витрат питомої роботи l ₀ в компресорі К (чи теплоти іншого потенціалу), який відбирає питому теплоту q ₂ у джерела низької температури И (тепловіддавача) і передає питому теплоту q ₁ джерелу високої температури (теплоприймачу) ТП, причому q ₁ = q ₂ + l ₀.

Джерелом теплоти низької температури для теплового насосу є зовнішнє середовище, наприклад холодна вода водоймищ, яка омиває випаровувач И і випаровує в ньому хладагент. Теплоприймач (який-небудь споживач теплоти, зокрема опалювальна система) теплового насосу, крім питомої теплоти q ₂ від зовнішнього середовища, отримує теплоту, еквівалентну роботі яка затрачена в компресорі (зазвичай електроенергії).

Циклами теплових насосів являються цикли холодильних установок що працюють в іншому інтервалі температур. Ефективність циклу теплового насосу що споживає для переносу теплоти роботу, характеризується коефіцієнтом перетворення теплоти, або опалювальним коефіцієнтом