ГЛАВА 10. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

§ 10.1. Циклы паровых компрессорных холодильных установок

Роль искусственного холода в промышленности и народном хозяйстве весьма значительна. Холодильные установки широко используют при кондиционировании воздуха промышленных предприятий, при строительстве различного рода подземных сооружений (замораживание грунта), а также в пищевых и торговых предприятиях, в быту.

Процесс искусственного получения холода осуществляется с помощью паровых компрессорных холодильных машин с затратой механической энергии или абсорбционных и пароэжекторных установок, требующих затраты теплоты.

Простейший способ получения температуры рабочего тела ниже температуры окружающей среды заключается в том, что это рабочее тело, называемое иначе холодильным агентом (хладоагентом), сжимают в компрессоре, затем охлаждают до температуры окружающей среды и после этого заставляют адиабатически расширяться. При этом рабочее тело совершает работу за счет своей внутренней энергии и температура его уменьшается по сравнению с температурой окружающей среды, т. е. такое рабочее тело становится источником получения холода.

В качестве холодильных агентов в принципе можно применять любой пар или газ. В первых холодильных машинах с механическим приводом в качестве холодильного агента применяли воздух, но уже с конца XIX в. он был вытеснен аммиаком и углекислотой, поскольку воздушная холодильная машина менее экономична и более громоздка, чем паровая, из-за .больших расходов воздуха, обусловленных его малой теплоемкостью.

Рабочими телами в современных холодильных установках являются пары жидкостей, которые при давлениях, близких к атмосферному, кипят при низких температурах. Примерами таких хладоагентов могут служить аммиак NH₃, сернистый ангидрид S0₂, углекислый газ С0₂, хлорметил СН₃С1 и фреоны — фторохлоропроизволные углеводороды типа C_mH_xF_yCl_z. Например, температура кипения аммиака при атмосферном давлении составляет —33,5 °С, фреона-12—30 °С, сернистого ангидрида —10 °С, хлористого метила - около —25 °С, а фреона-22—42°С. При температуре конденсации 20—40 °С рабочие давления этих холодильных агентов не превышают 1 МПа(МН₃). фреона-22 — около 1,6 МПа, а С0₂—около 6 МПа (табл. 10.1).

В холодильных установках применяют пары легкокипящих жидкостей высокой степени влажности, поэтому для них неприменимы законы для идеальных газов. Аналитические зависимости между параметрами для этих паров так же сложны, как и для водяного пара, когда он рассматривается как реальный газ. Поэтому при расчетах используют таблицы и диаграммы.

Идеальным циклом для работы паровой компрессорной холодильной установки является обратный цикл Карно. В случае применения легкокипящих жидкостей с целью получения низких температур практически более, удобным для регулировки режима работы установки оказывается не адиабатное расширение в цилиндре, а дросселирование насыщенного пара или кипящей жидкости путем пропуска ее через дроссельный вентиль.

На рис. 10.1 показаны принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки и ее идеальный цикл в Ts-диаграмме. В компрессоре вследствие затраты механической энергии сжимается влажный пар хладоагента. В результате этого (процесс 1—2) получается сухой насыщенный или перегретый пар. Обычно степень перегрева не превышает 130—140 °С, чтобы не усложнять эксплуатацию компрессора

из-за повышенных механических напряжений и не применять специальные сорта смазочных масел. Из компрессора перегретый пар с параметрами р₂ и t₂ поступает в охладитель (конденсатор). В конденсаторе при постоянном давлении перегретый пар отдает охлаждающей воде теплоту перегрева (процесс 2—3), температура его становится равной температуре насыщения t_н. Отдавая в дальнейшем теплоту парообразования (процесс 3—4), насыщенный пар превращается в кипящую жидкость (точка 4). Эта жидкость поступает к дроссельному вентилю, пройдя через который она превращается в насыщенный пар небольшой степени сухости (х₅ = 0,1—0,2).

Известно, что энтальпия рабочего тела до и после дросселирования одинакова, а давление и температура понижаются. В Тs-диаграмме на рис. 10.1 пунктирной линией представлено постоянное значение энтальпии в процессе 4—5; точка 5 характеризует состояние пара после дросселирования. Затем влажный пар поступает в охлаждаемое помещение, называемое рефрижератором, где при неизменных давлении и температуре он расширяется (процесс 5—1), отнимая определенное количество теплоты от помещения. Степень сухости пара при этом увеличивается (x₁ = 0,9—0,95). Пар с параметрами состояния, характеризуемыми точкой засасывается в компрессор, и работа установки повторяется.

В практических условиях работы пар после дроссельного вентиля поступает не в охлаждаемое помещение, а в испаритель, где отнимает теплоту рассола, который в свою очередь отнимает теплоту от охлаждаемого помещения. Это объясняется тем, что в большинстве случаев холодильная установка обслуживает ряд потребителей холода, и тогда незамерзающий рассол служит промежуточным хладоносителем, непрерывно циркулируя с помощью насосов между испарителем, где он

охлаждается, и специальными воздухоохладителями, которые устанавливают в охлаждаемых помещениях. В качестве рассолов применяют водные растворы хлористого натрия и хлористого кальция, имеющие достаточно низкие температуры замерзания. Растворы пригодны для использования лишь при температурах, превышающих те, при которых они замерзают как однородная смесь, образуя соленый лед (так называемая криогидратная точка). Криогидратной точке для раствора NaCl с концентрацией 22,4% соответствует температура — 21,2 °С, а для раствора СаС1₂ с концентрацией 29,9% температура

–55 °С.

Если на Ts-диаграмме (см. рис. 10.1) условно принять за начало от счета энтальпии точку 7, то, исходя из равенства i₄ = i₅, можно определить местоположение точки 5 (пл. 4—7—7'—6' = пл. 7—5—5'—7'). Количество теплоты q₂, получаемой 1 кг рабочего тела от охлаждаемого помещения, называется удельной холодопроизводительностью, или холодильным эффектом установки. Очевидно, q₂ = пл. 5—1—1'—5' = i₁—i₅ = i₁—i₄. Количество теплоты q₁ отдаваемой 1 кг рабочего тела в конденсаторе (по абсолютной величине), измеряется площадью под кривой процесса 2—3—4, т. е. q₁ = пл. 2—3—4—6'— 1' = i₂ – i₄. Внешняя работа, затрачиваемая в цикле холодильной установки на 1 кг рабочего тела,

А = q₁ — q₂ = i₂ – i₄ – i₁ + i₄ = i₂ – i₁

Разность i₂ – i₁, согласно уравнению (9.5), представляет собой внешнюю работу, которую необходимо затратить для получения 1 кг сжатого рабочего тела в идеальном компрессоре. Из рис. 10.1 видно, что затрачиваемая в цикле работа А₀ не равна площади цикла 1—2—3—4—5, а больше ее на величину площади 4—5—5'—6'. Это объясняется необратимостью рассматриваемого цикла, графическое изображение которого имеет условный характер. Если вместо процесса дросселирования 4—5 рассматривать адиабатный процесс расширения 4—6 и считать, что сжатие в компрессоре осуществляется только до сухого пара, то цикл 1—2—3—4—6 будет являться обратным циклом Карно, представляющим собой, как уже указывалось, идеальный цикл холодильной установки. В этом случае работа, затрачиваемая на цикл, равнялась бы площади цикла и была бы меньше внешней работы, затрачиваемой в установке с дроссельным вентилем, на величину площади 4—6—7, равной площади 5—5'— 6'—6 (i₄ = пл. 4—7—7'—6', а i₅ = 5—7—7'—5', но i₄ = i₅,тогда пл. 5—5'—6'—6 = пл. 4—6—7), которая измеряет увеличение холодопроизводительности обратного цикла Карно по сравнению с рассматриваемым циклом. Однако в холодильных установках применяют дроссельный вентиль, а не детандер (расширительный цилиндр), так как потеря эффективности установки от этого не так уж значительна, но зато, регулируя степень открытия вентиля, легко получать требуемое падение давления, а значит, и необходимую температуру в охлаждаемом помещении. Например, для получения температуры —10° С при t_н2 — 20°С различные хладоагенты нужно дросселировать до определенных давлений (табл. 10.2).

Показателем энергетической эффективности холодильных установок служит холодильный коэффициент e, представляющий собой отношение удельной холодопроизводительности к внешней работе А цикла, т. е.

Очевидно, чем больше холодильный коэффициент, тем экономичнее будет установка, ибо это означает, что при той же затрате работы холодопроизводительность q₂ будет больше или при том же значении q₂ потребуется меньше затратить энергии для работы компрессора. Например, при t_н2= 20° С, t_н1 = — 10°С и x₁ — 0,95 для хладоагентов NH₃, СО₂ и SО₂ получаются следующие значения q₂ и e (табл. 10.3).

Таким образом, теоретически наиболее экономично будет работать установка с сернистым ангидридом, несмотря на то что большую холодопроизводительность q₂ имеет аммиачная установка.

Действительный цикл парокомпрессорной холодильной установки отличается от теоретического тем, что из-за наличия внутренних потерь на трение в компрессоре сжатие происходит не по адиабате, а по политропе. В результате увеличивается затрата работы в компрессоре и снижается холодильный коэффициент.

Для получения весьма низких температур (от –40 до –70^СС), требуемых в некоторых технологических процессах (при быстром замораживании водоносных слоев грунта и т.п.), одноступенчатые парокомпрессорные установки оказываются или неэкономичными, или совершенно непригодными из-за снижения КПД компрессора, обусловленного высокими температурами рабочего тела в конце процесса сжатия. В таких случаях применяют или специальные холодильные циклы, или в большинстве случаев двухступенчатое либо многоступенчатое сжатие. Например, двухступенчатым сжатием аммиачных паров получают температуры до –50 °С, а трехступенчатым до –70° С.

К рабочим телам, применяемым в холодильных установках, предъявляется ряд особых требований, вследствие чего значительно сокращается число возможных хладоагентов:

1) давление насыщенных паров хладоагента, соответствующее требуемым температурам, должно быть выше атмосферного или близким к нему, так как, легче бороться с утечкой хладоагента, чем с подсосом воздуха при вакууме. Менее других хладоагентов этому требованию удовлетворяет сернистый ангидрид, который при температуре –10 °С имеет давление 0,101 МПа. Подсос воздуха нежелателен по следующим причинам:

а) ухудшает теплопередачу между хладоагентом и охлаждающей средой в конденсаторе и между хладоагентом и охлаждаемой средой в испарителе;

б) содержит водяные пары, которые могут замерзать в трубках испарителя или растворяться в смазывающих компрессор маслах и повышать температуру замерзания масла;

в) повышает рабочее давление и вызывает перерасход электроэнергии, необходимой для привода компрессора;

2) нежелательно высокое давление пара при температуре конденсации, так как требуется большая плотность соединений во избежание утечки хладоагента. Этому требованию плохо удовлетворяет СО₂, у которого при , t_н1 = — 10°С , р₁ = 2,64 МПа;

3) холодильные агенты должны иметь большую теплоту парообразования, ибо она определяет холодопроизводительность в парокомпрессорных установках. Менее других этому требованию удовлетворяют углекислый газ и фреоны;

4) рабочее давление хладоагентов при обычно применяемой на практике температуре от — 30 до +30° С должно быть значительно ниже критического. Критическая температура должна быть высокой. Этому требованию недостаточно удовлетворяет углекислый газ, у которого t_кр = 31,35° С. Значит, если в конденсаторе будет охлаждающая вода с температурой выше 31,35° С, то СО₂ никогда не сконденсируется. По этой причине холодильные установки, в которых используется СО₂, работают по особым, более сложным циклам, чем обычные;

5) хладоагенты не должны обладать корродирующими свойствами и образовывать со смазкой химические соединения, нарушающие нормальную работу машины;

6) хладоагенты не должны оказывать вредного воздействия на обслуживающий персонал при неизбежных на практике небольших утечках их паров.

Широкое применение в качестве хладоагентов получили фреоны — галоидные производные насыщенных углеводородов (C_mH_n), полученные путем замены атомов водорода атомами хлора и фтора. В технике из-за большого разнообразия фреонов и относительно сложного их наименования установлена условная числовая система обозначения, согласно которой каждое такое соединение в зависимости от химической формулы имеет свое число. Вначале пишут цифры, условно обозначающие углеводород, производным которого является данный фреон. Для метана это 1, для этана 11, для пропана 21. Затем, если в соединении имеются незамещенные атомы водорода, число их прибавляют к этим цифрам. Далее к полученной сумме или к первоначальному числу (если все атомы водорода в соединении замещены) дописывают (а не прибавляют) в виде следующего знака цифру, выражающую число атомов фтора. Так получают обозначения:

фреон-11 вместо монофтортрихлорметана CFC1₃;

фреон-12 вместо дифтордихлорметана CF₂C1₂;

фреон-22 вместо дифтормонохлорметана CHFoCl;

фреон-114 вместо тетрафтордихлорэтана C₂F₄C1₂;

фреон-142 вместо дифтормонохлорэтана C₂H₃F₈C1 и т. д.

В холодильных установках в качестве холодильного агента используют обычно фреон-12. Поэтому число 12 в названии этого хладоагента иногда не пишется, а под словом «фреон» имеется в виду фреон-12. В перспективе в качестве хладоагентов будут широко применяться фреон-22 и фреон-142.

Преимущества фреонов — относительная безвредность, химическая инертность, негорючесть и взрывобезопасность, а недостатки — низкая вязкость, способствующая утечкам, а также свойство фреона и масла растворяться друг в друге.