10.2. Паро-компрессорная холодильная установка

Возможность приблизить экономичность холодильной установки к экономичности цикла Карно в интервале температур холодного тела и окружающей среды появилась с получением рабочих тел, имеющих низкие температуры фазового перехода из жидкости в пар. К таким веществам относятся различные фторхлоруглеводородные соединения, называемые фреонами. Для таких веществ можно осуществить холодильный цикл в области влажного насыщенного пара (рис. 10.8).

Однако реализация цикла 123а, соответствующего циклу Карно, невозможна по причине технического ограничения адиабатного процесса расширения рабочего тела при его фазовом переходе из жидкости в пар (процесс 3а). При таком фазовом переходе ни поршневой ни проточный детандеры работать не будут (они быстро разрушаться по причине резкого изменения объема рабочего тела и наличия большого количества капельной влаги). Поэтому адиабатный процесс расширения рабочего тела (3а) в паро-компрессорных холодильных установках (ПКХУ) заменили процессом дросселирования (34), и вместо детандера установили редуктор (дроссельный клапан). Установка редуктора снизит величину q₂ и увеличит затраты работы на реализацию цикла 12341 по отношению к циклу Карно 123а1. Однако установка получается простой, надежной и достаточно экономичной. Схема такой ПКХУ представлена на рис.10.9.

Методика расчета идеального цикла ПКХУ

Удельная работа компрессора ПКХУ определяется выражением

(10.17)

Удельная теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как

(10.18)

Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается исходя из равенства энтальпий в процессе дросселирования h₃=h₄

(10.19)

Удельная работа, затраченная на реализацию обратимого цикла ПКХУ, равна работе компрессора

(10.20)

Холодильный коэффициент ПКХУ соответствует выражению

(10.21)

Реальный цикл ПКХУ

В реальном цикле ПКХУ начало процесса сжатия рабочего тела (точка 1) смещается в область допустимых начальных влажностей, что диктуется требованием надежной работы первых ступеней компрессора (х_1ДОП=0,88). В результате этого завершение процесса 12’ осуществляется в области перегретого пара (рис.10.10). Такое смещение процесса сжатия приводит к увеличению затрат работы на привод компрессора и, соответственно, к снижению холодильного коэффициента ПКХУ.

Для увеличения экономичности реальной ПКХУ в ее холодильную камеру направляют только жидкую фазу рабочего тела. При этом происходит увеличение удельной холодопроизводительности q₂ и, соответственно, уменьшение размеров холодильной камеры. Направление жидкой фазы рабочего тела в холодильную камеру ПКХУ обеспечивает сепаратор, установленный после редуктора (рис. 10.11). Смесь жидкой и паровой фаз рабочего тела, выходящая из холодильной камеры, снова поступает в сепаратор. Из сепаратора пар с допустимой степенью сухости направляется в компрессор. Между сепаратор и холодильной камерой циркулирует часть рабочего тела (отсепарированная жидкая фаза). Обозначим относительную долю этого рабочего тела как α_С , приняв за единицу (α=1) относительный расход рабочего тела через компрессор.

Величина α_С определяется исходя из того, что количество сухого насыщенного пара на входе и выходе из сепаратора одинаково. На основании этого материального баланса сепаратора записывается равенство

(10.22)

Из уравнения 10.22 получаем величину α_С при известных степенях сухости х₁, х₄ и х₆

(10.23)

Удельная работа компрессора ПКХУ определяется выражением

(10.24)

Удельная теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как

(10.25)

Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается исходя из процесса 56 в холодильной камере и количества фреона, проходящего через нее

(10.26)

Удельная работа, затраченная на реализацию реального цикла ПКХУ, равна работе компрессора

(10.27)

Холодильный коэффициент реальной ПКХУ соответствует выражению

(10.28)

Холодильный коэффициент реальной ПКХУ в несколько раз выше, чем у ВХУ. При этом ПКХУ требует на порядок меньший расход рабочего тела и эффективный процесс теплопередачи в холодильной камере, что делает ее компактной. Большинство бытовых холодильников выполнены по принципу ПКХУ.