18.1. Цикл воздушной холодильной установки

Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, примененных на практике.

Схема воздушной холодильной установки представлена на рис. 99.

Хладоагент (воздух) расширяется в детандере 1 от давления до давления , совершая работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, производя электроэнергию с помощью соединенного с детандером электрогенератора). Воздух, охлажденный в результате процесса адиабатного расширения в детандере от температуры до температуры , поступает в охлаждаемый объем 2, из которого он отбирает тепло. Процесс передачи тепла от охлаждаемого объема к воздуху происходит при постоянном давлении воздуха ( ). Отвод тепла из охлаждаемого объема возможен только в том случае, если температура воздуха в течение всего изобарного процесса отбора тепла будет меньше, чем температура охлаждаемого объема.

Рисунок 99 – Воздушная холодильная установка.

Температура воздуха на выходе из охлаждаемого объема может сравняться с температурой охлаждаемых тел; на практике же она всегда немного ниже этой температуры. По выходе из охлаждаемого объема воздух направляется в компрессор 3, где его давление повышается от до (при этом температура воздуха возрастает от до ). Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель 4. Охладитель представляет собой теплообменник поверхностного типа, в котором температура воздуха снижается вследствие отдачи тепла охлаждающей воде, циркулирующей через охладитель. Температура воздуха на выходе из охладителя может быть сделана сколь угодно близкой к температуре охлаждающей воды, однако на практике температура воздуха всегда несколько выше температуры охлаждающей воды. Процесс в охладителе происходит при постоянном давлении воздуха ( ).

Цикл воздушной холодильной установки в - , и - диаграмме изображен на рис. 100.

Рисунок 100 – Цикл воздушной холодильной установки в - - диаграмме.

Здесь:

1–2–адиабатный процесс расширения воздуха в детандере;

2–3 изобарный процесс отвода тепла из охлаждаемого объема;

3–4–процесс сжатия в компрессоре;

4–1–изобарный процесс охлаждения воздуха в охладителе;

3–4–1–линия сжатия воздуха;

1–2–3–линия расширения.

Работа, затрачиваемая на привод компрессора, изображается площадью 54365, а работа, производимая воздухом в детандере,–площадью 51265. Следовательно, работа, затрачиваемая в цикле воздушной холодильной установки, изображается площадью 12341.

Процесс в компрессоре может осуществляться либо по адиабате, либо по изотерме, либо по политропе с показателем . При одном и том же отношении давлений наибольшее увеличение температуры газа в компрессоре имеет место при адиабатном сжатии. Теплоотвод от воздуха интенсифицируется при увеличении температурного перепада между воздухом и водой. Однако при заданной температуре охлаждающей воды увеличение температуры воздуха влечет за собой увеличение затраты работы.

Как видно из - диаграммы, цикл воздушной холодильной машины можно рассматривать как обращенный цикл газотурбинной установки со сгоранием при и адиабатным сжатием воздуха в компрессоре.

В - диаграмме на рис. 100 тепло , отводимое из охлаждаемого объема, изображается площадью 52365; работа, затрачиваемая в цикле, - площадью 12341 и тепло, отдаваемое охладителю, –площадью 15641.

Давление воздуха в воздушных холодильных установках обычно невелико (как правило, не выше ). С помощью воздушных холодильных установок температура в охлаждаемом объеме может поддерживаться в широком диапазоне. Поэтому при расчетах циклов воздушных холодильных установок воздух в общем случае следует рассматривать как реальный газ. Однако в тех случаях, когда температура в охлаждаемом объеме значительно выше критической температуры воздуха (последняя равна , или ), воздух можно считать идеальным газом с постоянной теплоемкостью.

Тепло , отбираемое воздухом из охлаждаемого объема (холодного источника) в изобарном процессе 2–3, равно:

а тепло , отдаваемое воздухом охлаждающей воде в холодильнике (горячему источнику) в изобарном процессе 4–1, равно:

Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, получаем:

и

Холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки:

Для адиабатных процессов 3–4 и 1–2:

и

откуда

Для изобарных процессов подвода и отвода теплоты:

и

Тогда холодильный коэффициент цикла:

или

По внешнему виду последнее уравнение совпадает с формулой для обратимого обратного холодильного цикла Карно. Однако это сходство чисто внешнее: в обратном цикле Карно – это температура равная в пределе температуре охлаждаемого объекта (обозначим ее через ), тогда как в цикле воздушной холодильной машины значительно ниже, чем (в этом цикле температура и равна в пределе температуре ). Отсюда следует, что при одном и том же значении холодильный коэффициент обратного цикла Карно выше холодильного коэффициента цикла воздушной холодильной машины. Это видно из - диаграммы на рис. 100, на которой изображены осуществляемые в одном и том же интервале температур от (так обозначим температуру охлаждающей воды, т.е. горячего источника) до обратный цикл Карно (15361) и цикл воздушной холодильной установки (12341).

Рисунок 101 – Цикл Карно и цикл воздушной холодильной установки осуществляемые в одном и том же интервале температур.

Как видно, из этой диаграммы, в цикле воздушной холодильной установки отбирается меньше тепла, чем в обратном цикле Карно (соответственно площади 72387 и 75387 на рис. 101), а работа, затрачиваемая в цикле воздушной холодильной установки (площадь 12341), больше, чем в обратном цикле Карно (площадь 15361). Следует заметить, что отличие значения цикла воздушной холодильной установки от обратного цикла Карно весьма значительно. Рассмотрим, например, эти холодильные циклы, осуществляемые в интервале температур от до . Будем считать при этом, что в цикле воздушной холодильной машины и . И в цикле Карно, и в цикле воздушной холодильной установки примем . Что же касается величины , то очевидно, что в обратном цикле Карно , а в цикле воздушной холодильной установки в соответствии с (6)

Принимая значение показателя адиабаты для воздуха, равным и подставляя сюда принятые значения , и , получаем . Тогда для обратного цикла Карно получаем:

_{и по уравнению (9) для цикла воздушной холодильной машины}

,

т.е. в раз меньше, чем в обратном цикле Карно.

Следовательно, при одной и той же затрате работы воздушная холодильная установка, имеет значительно меньшую холодопроизводитель-ность, чем установка, в которой осуществляется обратный цикл Карно. Поэтому воздушные холодильные установки требуют больших расходов воздуха.

Недостатки, присущие циклу газовой холодильной установки, определяются тем, что процессы отбора тепла из охлаждаемого объема и отдачи воздухом тепла в охладителе осуществляются не по изотерме, а по изобаре; в этом случае средняя температура отвода тепла в цикле оказывается выше , а средняя температура подвода - ниже . Очевидно, что в цикле воздушной холодильной установки величины и будут тем ближе соответственно к и , чем «уже» цикл в - диаграмме, т. е. чем меньше переохлажден воздух, выходящий из детандера, по сравнению с охлаждаемым объемом [иными словами, чем меньше разность ( ), рис. 101].

На - диаграмме рис. 102 изображены два цикла воздушной холодильной установки: 12341 и 12'3'4'1, осуществляемые в одном и том же интервале температур (между и ). Из этой диаграммы, очевидно, что величины и в более «узком» цикле 12'3'4'1 ближе соответственно к и , чем в «широком» цикле 12341.

Рисунок 102 – Циклы воздушной холодильной установки.

Следовательно, чем «уже» цикл, тем выше значение холодильного коэффициента . Следует, однако, иметь в виду, что «сужение» цикла [т. е. уменьшение разности ( )] приводит, как видно из - диаграммы на рис. 101, к тому, что уменьшается количество тепла , отбираемого из охлаждаемого объема за один цикл.

Таким образом, хотя холодильный цикл и становится теоретически более эффективным, но для обеспечения прежней (как в цикле 12341) холодопроизводительности необходимо увеличить расход воздуха в контуре установки. Кроме того, необратимость реальных процессов адиабатного сжатия и расширения в реальной установке оказывает значительно большее отрицательное влияние на «узкий» цикл.

Воздушные холодильные установки с поршневым компрессором были распространены во второй половине XIX в., однако уже с начала XX в. они практически перестали применяться в промышленности из-за их малой экономичности. В настоящее время широко применяются установки с турбокомпрессорами и с регенерацией, благодаря чему возрастает экономичность воздушных холодильных установок и расширяется область их применения.