Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Наибольшее распространение для охлаждения тел до темпера­туры — 20° С получили холодильные установки, в которых холо­дильным агентом являются легкокипящие жидкости — аммиак, фреоны, сернистый ангидрид и другие при невысоких давлениях (желательно близких к атмосферному).

Схема холодильной компрессорной установки, работающей на парах аммиака (NH₃), представлена на рис. 21-8. В компрессоре сжи­мается аммиачный сухой насыщенный пар или влажный пар с боль­шой степенью сухости по адиабате 1-2 до состояния перегретого пара в точке 1 (рис. 21-9). Из компрессора пар нагнетается в кон­денсатор, где полностью превращается в жидкость (процесс 1-5-4). Из конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вен­тиль, в котором дросселируется, что сопровождается понижением температуры и давления. Затем жидкий аммиак с низкой температу­рой поступает в охладитель, где, получая теплоту (в процессе 3-2), испаряется и охлаждает рассол, который циркулирует в охлаждае­мых камерах. Процесс дросселирования, как необратимый процесс, изображается на диаграмме условной кривой 4-3.

В паровой компрессорной установке не применяется расшири­тельный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в регу­лировочном вентиле. Замена расширительного цилиндра дросселем сопровождается возрастанием энтропии, что вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, по эта замена значительно упро­щает установку и дает возможность легко регулировать давление пара и получать необходимую температуру в охладителе, так как в области двухфазных состояний эффект охлаждения при дросселиро­вании будет таким же, как и при адиабатном процессе расширения. При наличии расширительного цилиндра процесс пошел бы по адиа­бате 4-9. Потеря холодопроизводительности от замены расширитель­ного цилиндра дроссельным вентилем измеряется пл. 93769, поэтому холодопроизводительность всей установки уменьшается и будет изображаться пл. 73287 (i₂ — iз) = (i₂ — i₄)-

Количество теплоты q₂, получаемое 1 кг аммиака от охлаждаемых тел, изображается пл. 73287. Количество теплоты q₁, отведенное охлаждающей водой в конденсаторе, изображается пл. 645186. Работа, затраченная на совершение цикла, равна l = q₁ — q₂ = = пл. 64512376 = пл. 10451210 - i₁, — i₂. Равенство пл. 64512376 и 10451210 следует из условия, что дросселирование аммиака проте­кает при равенстве энтальпий в точках 4 и 3.

Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки будет

где — количество теплоты, воспринимаемое аммиачным паром в охладителе; - работа, затраченная при адиабатном сжатии пара в компрессоре.

Отсюда холодильный коэффициент установки равен

Значения энтальпий в уравнении (21-4) определяют по is-диаграмме или по таблицам для аммиака. Паровые холодильные уста­новки имеют большое преимущество перед воздушными. Они ком­пактны, дешевы и имеют более высокий холодильный коэффициент.

Тепловой насос

По обратному циклу могут работать не только холодильные ма­шины, задачей которых является поддержание температуры охлаж­даемого помещения на заданном уровне, но и так называемые теп­ловые насосы, при помощи которых теплота низкого потенциала, забираемая от окружающей среды с помощью затраченной извне работы, при более высокой температуре отдается внешнему потре­бителю.

Характеристикой совершенства работы теплового насоса будет отношение отданной внешнему потребителю теплоты к затраченной на это работе, т. е.

Коэффициент ξ называют обычно или отопительным коэффициен­том, или коэффициентом теплоиспользования, или коэффициентом преобразования теплового насоса. Работа теплового насоса в прин­ципе не отличается от работы холодильной установки. Тепловой на­сос для нужд отопления применяют в тех случаях, когда имеется источник теплоты с низкой температурой (например, вода в различных водоемах; вода, получаемая после охлаждения гидрогене­раторов и др.), а также источник дешевой работы. Использование теплоты источников с низкой температурой может иметь для народ­ного хозяйства СССР определенное значение в районах, где будет производиться огромное количество дешевой электрической энер­гии на гидроэлектростанциях. Применение теплового насоса для целей отопления и коммунального теплоснабжения с использова­нием электроэнергии от обычных конденсационных электростанций экономически нецелесообразно.

Работа теплового насоса состоит в следующем. За счет тепло­ты источника с низкой температурой в испарителе l происходит процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой ки­пения (аммиак, фреоны) (рис. 21-13). Полу­ченный пар направляется в компрессор 2, в котором температура рабочего тела повы­шается от t₂ до t₁. Пар с температурой t₁ по­ступает в конденсатор 3, где при конденсации отдает свою теплоту жидкости, циркулирую­щей в отопительной системе. Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дрос­сельный вентиль 4. Там он дросселируется с понижением давления от p₁ до р₂. После дрос­сельного вентиля жидкое рабочее тело снова поступает в испаритель 1.

Идеальный цикл теплового насоса ана­логичен циклу паровой компрессорной хо­ лодильной установки (см. рис. 21-9).

Из рис. 21-9 видно, что затраченная работа, изображаемая пл. 10451210, вместе с теплотой источника низкой температуры пере­дается телу с более высокой температурой. Если обозначить теп­лоту, получаемую фреоном в испарителе, через q₂, а теплоту, от­данную в отопительную систему, через q₁ и затраченную работу в компрессоре через l, то

Из рассмотрения цикла следует, что

Энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не из­меняется, поэтому i₄ = i₃, а

откуда

(21-6)

Если бы тепловой насос работал по обратному циклу Карно, то коэффициент преобразования был бы равен

Например, при отопленииздания зимой температура речной воды равна Т₂~280°К, а температура рабочего тела в отопительной сис­теме T₁ = 350°K, при этих условиях

Эта величина показывает, что тепловой насос передает теплоты в отопительную систему в пять раз больше, чем затрачивается ра­боты. Если на механическую работу расходуется 1 Мдж электро­энергии, то в отопительную систему передается 5 Мдж теплоты, т. е. в пять раз больше, чем при чисто электрическом отоплении. Следовательно, энергохозяйственные перспективы использования тепловых насосов, безусловно, велики, и там, где это необходимо, они должны получить широкое распространение.

В ряде случаев благоприятные условия применения теплового насоса получаются, если осуществить привод компрессора непосред­ственно от поршневого двигателя внутреннего сгорания. В таких установках в качестве источника теплоты с низкой температурой используют воду, охлаждающую цилиндры двигателя, а теплоту отходящих газов используют в котлах-утилизаторах отопительной системы.

Теоретические основы процесса теплопроводности (закон Фурье, расчет теплового потока и термического сопротивления стенок различной формы) и его применение в расчетах теплотехнического оборудования систем ТГСВ и строительных конструкций зданий.