«ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА Утверждено Департаментом кадров и учебных заведений МПС России в качестве учебника для студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта МОСКВА 2003 1 ...»

В.Е. ПИГАРЕВ, П.Е. АРХИПОВ

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

И УСТАНОВКИ

КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Утверждено

Департаментом кадров

и учебных заведений МПС России

в качестве учебника для студентов

техникумов и колледжей

железнодорожного транспорта

МОСКВА

2003 1 УДК 629.463.125+629.4.048 ББК 39.22 П32 Пигарев В.Е., Архипов П.Е. /Под редакцией В.Е. Пигарева.

Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха:

П32 Учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. — М.: Маршрут, 2003. — 424 с.

ISBN 5-89035-122- Рассмотрены теоретические основы холодильных машин и установок кондиционирования воздуха подвижного состава, принципы выбора и расчёта их элементов, особенности конструкции, эксплуатации и технического обслуживания холодильного оборудования, а также его техническая диагностика и методы испытания.

Учебник написан в соответствии с государственными требованиями к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки выпускников техникумов и колледжей железнодорожного транспорта по программе дисциплины «Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха», специальности 1707 Техническая эксплуатация подвижного состава железных дорог, специализации 1707.03 Установки и электрические аппараты вагонов.

Предназначен для студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта; может быть также использован персоналом вагонного хозяйства, связанным с эксплуатацией и ремонтом подвижного состава.

УДК 629.463.125+629.4. ББК 39. Р е ц е н з е н т ы : главный инженер Департамента вагонного хозяйства МПС России В.А. Чижов; заместитель главного инженера ФГУП «Воронежский вагоноремонтный завод им. Э.Тельмана», канд. техн. наук В.Т. Бахтин;

преподаватель Московского коллежда железнодорожного транспорта А.В. Щепетов; преподаватель Воронежского электромеханического колледжа железнодорожного транспорта Е.П. Стрыжаков.

Пигарев В.Е., Архипов П.Е., Издательство «Маршрут», ISBN 5-89035-122- УМК МПС России,

ВВЕДЕНИЕ

Холодильная техника — высокоразвитая отрасль промышленности, способная удовлетворять самые разнообразные требования, возникающие в связи с необходимостью отводить теплоту от различных объектов.

Холодильная машина — это замкнутая система из аппаратов и устройств, предназначенных для осуществления холодильного цикла. Используют холодильные машины для охлаждения разнообразной продукции ниже температуры окружающей среды и для непрерывного поддержания заданной температуры в течение необходимого времени.

Холодильная установка включает в себя холодильную машину, приборы автоматики, трубопроводы и сооружения, необходимые для проведения технологических процессов.

В 1834 г. была изобретена компрессионная холодильная машина.

Искусственное охлаждение начали применять при заготовке, обработке и транспортировке скоропортящихся продуктов. Первая установка для замораживания мяса была построена в Австралии в 1861 г. Такое мясо впервые было перевезено в 1876 г. на судне-рефрижераторе с машинным охлаждением. Изотермические вагоны с ледяным охлаждением начали эксплуатировать в США с 1858 г. Первую холодильную машину в России применили в 1888 г. на рыбных промыслах в Астрахани. В настоящее время практически нет такой отрасли промышленности, где бы не применялся искусственный холод.

Холодильное хозяйство страны носит комплексный характер и представляет собой единую холодильную цепь, охватывающую все последовательные звенья производства, хранения, транспортировки и реализации пищевых продуктов.

Железнодорожный хладотранспорт — одно из ведущих звеньев непрерывной холодильной цепи, представляющей собой технологическую систему, обеспечивающую подготовку, хранение и транспортировку скоропортящейся продукции.

Перевозка скоропортящихся грузов связана с определёнными температурными режимами, поэтому энергетика рефрижераторного подвижного состава, кроме охлаждения груза в летнее время, предусматривает его обогрев зимой.

Основной элемент современного железнодорожного хладотранспорта — рефрижераторный подвижной состав — имеет общую или индивидуальную для каждого вагона энергетическую установку и источник получения искусственного холода — холодильную машину.

Выбор энергохолодильного оборудования и особенности его конструкции и энергетики рефрижераторного подвижного состава обусловлены спецификой технологии железнодорожного хладотранспорта. Конструктивные особенности оборудования в основном определяются габаритом подвижного состава. Это обстоятельство вызывает высокие удельные тепловые нагрузки рефрижераторных вагонов, что влечет за собой продолжительное время включения машинного оборудования, ужесточая требования к его надежности, а также интенсифицирует процессы усушки груза и потери его массы. Пространственная ограниченность вагона создает трудности и в размещении и обслуживании машинного оборудования. Конструктивные особенности, вытекающие из ограниченности габаритов и особенности геометрии вагонов, обостряют требования по поддержанию допустимых температурных градиентов по объему перевозимого груза.

Для выполнения своей основной задачи железнодорожный хладотранспорт располагает: специальным подвижным составом, пунктами экипировки вагонов и их обслуживания, снабжения хладоносителем, специализированными депо, пунктами санитарной обработки вагонов, другими стационарными и передвижными устройствами.

';

В соответствии с Соглашением о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и транспортных средствах доставки, предназначенных для этих перевозок, разработанным Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН), весь подвижной состав хладотранспорта подразделяют на:

вагоны-термосы, кузов которых образуют: теплоизоляционные стены, крыша, пол и двери, позволяющие ограничить теплообмен между внутренней и наружной поверхностями грузового помещения;

вагоны-ледники, имеющие источник естественного холода с готовым холодоносителем (сухой лед, жидкий азот, эвтектические плиты и т.п.); в ряде конструкций подвижного состава подобного типа предусматривают системы автоматического регулирования подачи холодоносителя, обеспечивающие режим поддержания заданной температуры;

рефрижераторный подвижной состав — 5-вагонные секции и автономные вагоны, имеющие общую или индивидуальную для каждого вагона энергетическую установку и источник получения искусственного холода — холодильную машину;

отапливаемые вагоны, оснащенные установками, позволяющими обеспечить и автоматически поддержать заданный температурный режим обогрева грузового помещения.

В настоящее время находят применение изотермические контейнеры, охлаждаемые навесными или встроенными холодильно-отопительными агрегатами. Их масса брутто колеблется от 5 до 30 т.

Более широкая градация изотермических контейнеров предусмотрена международным стандартом (масса брутто 30, 25, 20, 10, 7,5 т).

Высота и ширина всех стандартизированных контейнеров 2438 мм.

На контейнеры, используемые для перевозки скоропортящихся грузов в международном сообщении, распространяются также таможенные предписания, морской регистр, требования бюро стандартов и др.

Крупнотоннажные контейнеры, специализированные для перевозки пищевых продуктов, классифицированы по наличию источников холода, типу применяемой системы охлаждения или отопления. В соответствии с международными требованиями контейнеры проектируют для эксплуатации при наружных температурах от + до –45 °C. Системы охлаждения (отопления) должны сохранять работоспособность при наружных температурах от +55 до – °C и атмосферном давлении от 86,5 до 167 кПа.

К номинальным (расчетным) условиям при проектировании изотермических контейнеров отнесены: температура грузового помещения –20 °C при температуре наружного воздуха +45 °C для рефрижераторных контейнеров и +16 и –40 °C соответственно для отапливаемых контейнеров.

Характерная особенность таких контейнеров состоит в том, что они унифицированы по внешним и присоединительным параметрам с большегрузными контейнерами общего назначения.

Холодоснабжение большегрузных изотермических контейнеров может осуществляться от машинной холодильной установки, установки с жидким азотом или сухим льдом. Машинным охлаждением оснащено около 90 % парка изотермических контейнеров. Важнейшие преимущества такого охлаждения: универсальность, автономность и экономичность; недостатки — сложность изготовления, низкая надежность.

Относительная простота, высокая надежность, возможность быстрого понижения температуры груза и воздуха в грузовом помещении, незначительная естественная убыль — отличительные особенности жидкоазотной и сухоледной систем охлаждения контейнеров.

Внутренний объём контейнеров многих зарубежных фирм массой брутто 20 т составляет 0,75 наружного. Объем грузового помещения 23—26 м3. Наружные габаритные размеры контейнеров:

2,435 2,435 6,055 м.

Перевозят такие контейнеры на специальном подвижном составе, платформах-автомобилях, судах-контейнеровозах. В портах обрабатывают крупнотоннажные контейнеры на специально выделенных и технически оснащённых причалах-терминалах.

Для дорог страны разработана техническая документация на рефрижераторный контейнер массой брутто 20 т; изготовлены и испытаны опытные образцы контейнеров с машинной и азотной системами охлаждения. Отечественные контейнеры типа СК-5 соответствуют типоразмерам международного стандарта, имеют надежную теплоизоляцию. В их конструкции широко использованы алюминий, его сплавы и стеклопластик.

Температура, влажность, чистота и другие параметры воздуха, если они отвечают нормам, способствуют хорошему самочувствию людей и успешному выполнению многих производственных процессов. Для придания воздуху определенных свойств применяется кондиционирование.

Термин «кондиционирование» воздуха образован от слова «кондиция» и в широком смысле этого слова означает обработку воздуха.

Необходимость применения кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах обусловлена их низкой теплоустойчивостью, малым объемом помещения, приходящимся на одного пассажира, а также быстрым передвижением вагонов, вследствие чего они попадают в различные климатические зоны и разные погодные условия.

В более узком и распространенном смысле кондиционирование воздуха — это подготовка и поддержание заданных параметров воздуха независимо от изменения климатических и погодных условий именно в бытовых помещениях, к которым относят и пассажирские вагоны.

В качестве источника искусственного холода в современном подвижном составе используют установки машинного охлаждения с хладоновыми компрессорами. Несмотря на конструктивное совершенство, энергетическую эффективность и хорошие эксплуатационные показатели хладоновых холодильных машин, идет интенсивный поиск новых решений в области холодильной техники для установок подвижного состава, включающий разработку и использование более эффективных и экологически чистых хладагентов, а также создание машин принципиально новых типов.

Важная задача совершенствования технологии хладотранспорта — это разработка единой автоматизированной системы управления перевозками скоропортящихся грузов различными видами транспорта.

ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

1.1. Физические принципы получения Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атомов. Когда тепло отводится, движение молекул замедляется и тело охлаждается. Если тепло подводится, движение молекул ускоряется и тело нагревается, т.е. причина тепла и холода — движение молекул, из которых состоит любое физическое тело.

Охлаждение — это процесс отвода тепла или отдачи работы, сопровождающийся понижением температуры. Охлаждение осуществляется с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего.

Количество тепла, которое может поглотить охлаждающее тело, определяет его охлаждающий эффект или холодопроизводительность.

Естественное охлаждение осуществляется теплообменом с окружающей средой, искусственное — холодильной машиной.

Колебания температуры в природных условиях создают возможность сохранения при аккумуляции естественного холода. Наиболее распространенное тело, сохраняющее естественный холод, — водный лед.

В практических условиях для передачи холода применяют специальные устройства. Их работа осуществляется при дополнительной затрате энергии.

Охлаждающий эффект при низких температурах достигается применением следующих физических процессов: фазовых превращений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, парообразование, растворение соли); расширения сжатого газа с отдачей внешней работы; расширения газа путем дросселирования (эффект Джоуля—Томсона); вихревого эффекта охлаждения; пропускания электрического тока через спай двух металлов или полупроводников (эффект Пельтье); размагничивания твердого тела (магнитно-калорический эффект); десорбции газов.

Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация) — это процессы, поглощающие относительно большое количество тепла, и поэтому применяются для получения охлаждающего эффекта.

Плавление и охлаждение смеси.

Плавление водного льда широко используется для охлаждения выше 0°.

Смешение раздробленного льда или снега с солью понижает температуру таяния смеси. Охлаждающие смеси образуются из веществ, которые в процессе растворения поглощают тепло.

Кривые (рис. 1.1) температур начала кристаллизации: компонента А из жидкого раствора при увеличении ко- начала кристаллизации чистых личества компонента В; компонента В компонентов в зависимости от при добавлении А пересекаются в точ- состава раствора ке Е. Жидкость состава хе при температуре ТЕ насыщена одновременно обоими компонентами и находится в равновесии с кристаллами А и В. Ниже температуры точки Е расположены две твердые фазы кристаллов чистых компонентов А и В. Среди всех сочетаний этих компонентов раствор состава точки Е имеет наиболее низкую температуру плавления (кристаллизации). Точка Е называется эвтектической, или криогидратной, а соответствующий ей раствор — эвтектикой («легко плавящийся»).

Для охлаждения применяют смеси солей с водой и солей или кислот с измельченным льдом или снегом. Для охлаждения до температуры –21,2 °C используется хлористый натрий со льдом, выше – 55 °C — хлористый кальций со льдом.

С понижением температуры плавления компонента в растворе уменьшается холодопроизводительность 1 кг охлаждающей смеси (табл. 1.1).

Зависимость холодопроизводительности смеси Показатели Температура плавления, °С Теплота плавления, ккал/кг Кипение и сублимация. Процесс парообразования чистых веществ протекает при постоянных температуре и давлении. Полная теплота парообразования где U и U, i и i, и — соответственно внутренняя энергия, энтальпия, удельные объемы насыщенного пара и жидкости;

P = U – U — внутренняя теплота парообразования, затрачиваемая на придание необходимой энергии молекулам при переходе из жидкости в пар;

= А P ( – ) — внешняя теплота парообразования, расходуемая на преодоление внешнего давления.

Температура кипения и теплота парообразования каждого вещества зависят от давления.

При увеличении давления температура кипения повышается, а теплота парообразования уменьшается. Состояние вещества, в котором обе предельные точки переходной области из жидкости в пар совмещаются в одну с теплотой парообразования, равной 0, называется критическим. При температурах выше критических ни при каких условиях невозможен переход газов в жидкость. Приоритет в установлении критического состояния принадлежит Д. И. Менделееву (1861 г.). Соотношение между углекислоты; кривые: I — кипения, II — жидкость — пар разница в свойплавлениz, III — сублимации; 1 — ствах соответствующих фаз жидкая фаза; 2 — газообразная; 3 — твердая; 4 — кипение; 5 — плавление;

мические свойства жидкости и пара в этой точке тождественны. Теплота парообразования используется для искусственного охлаждения в паровых холодильных машинах: компрессионных, пароэжекторных и абсорбционных.

Интенсивное испарение воды для получения охлаждающего эффекта наблюдается при низкой относительной влажности воздуха.

Испарительное охлаждение водой применяется при относительно высоких температурах. Для испарительного охлаждения при более низких температурах используют вещества с низкой температурой кипения при атмосферном (нормальном) давлении. Фреон R11, хладон R12, аммиак, фреон R22 имеют соответственно следующие нормальные температуры кипения: –23,7 °C; –29,8 °C; –33,4 °C; – 40,8 °C.

Температура плавления (затвердевания) зависит от давления и за некоторым исключением изменяется в одном направлении с ним, подобно температуре кипения. Кривые плавления II и кипения I пересекаются в точке, называемой тройной. Тройная точка характеризует состояние, в котором при определенном давлении и температуре сосуществуют три фазы (твердая, жидкая и газообразная) в любых количественных соотношениях. Ниже тройной точки вещество находится либо в твердом, либо в газообразном состоянии.

Точки кривой III определяются значениями давлений и температур, при которых твердая и газообразная фазы находятся в равновесии. Процесс перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное называется сублимацией, или возгонкой.

В тройной точке для СО2 температура – 56,6 °C и давление 0,528 МПа.

Жидкая углекислота может иметь температуру выше – 56,6 °C. Температура сублимации твердой углекислоты при атмосферном давлении – 78 °C.

Сублимирующая твердая углекислота называется «сухим льдом».

Сухой лед широко применяют для охлаждения вследствие низкой температуры сублимации и высокой весовой холодопроизводительности. В вакууме температура сублимации сухого льда может быть понижена до –100 °C; при смешении его с серной кислотой температура эвтектической точки достигает –82 °С.

Температура и давление тройной точки воды 0,00098 °С и 0,000623 Мпа соответственно; водный лёд сублимирует при температурах ниже нуля. Сублимацию водного льда используют при сушке различных препаратов под вакуумом.

Рис. 1.3 Процессы расширения газа в энтропийной диаграмме внешней средой, показатель п равен показателю адиабаты k, энтропия остается постоянной. В процессе 1—2n с подводом тепла показатель политропы n < k, a 1—2n с отводом тепла — n > k. Процесс расширения газа в расширительной машине (детандере) протекает с подводом тепла. Полное преобразование внутренней энергии в механическую работу осуществляется в адиабатическом процессе.

Расширение газов путем дросселирования (эффект Джоуля—Томсона). Резкое снижение давления жидкости или газа при прохождении их через суженное отверстие (вентиль, кран) называется дросселированием. В этом процессе не производится внешней работы и давление снижается очень быстро, вследствие этого теплообмен с внешней средой не происходит. Энтальпия остается постоянной i1 = i2, поэтому такой адиабатический процесс не является изоэнтропическим. Энтропия возрастает, и процесс необратим (1—2U, l—2i, 1—2i, рис. 1.3).

Линии постоянных температур и энтальпий (изотерма и изоэнтальпа) идеального газа совпадают, поэтому при дросселировании температура не изменяется. При дросселировании реального газа в результате изменения внутренней энергии совершается работа для преодоления внутренних сил взаимодействия молекул au = 0, и поэтому изменяется температура. При дросселировании идеального газа объемная энергия не изменяется:

в процессах реального газа она может возрастать и уменьшаться Взаимодействие между молекулами реального газа и изменение его объемной энергии в процессе расширения обусловливают при дросселировании два температурных эффекта, которые могут складываться или взаимно компенсироваться.

Точка, соответствующая состоянию реального газа, в котором эффект Джоуля—Томсона равен нулю, называется точкой инверсии, а геометрическое место таких точек — кривой инверсии. В интервалах температур инверсии дросселирование дает охлаждающий эффект, а выше и ниже происходит нагревание газа.

Эффект Джоуля—Томсона применяется при получении особо низких температур.

Вихревой эффект охлаждения. Французский инженер Ранк предложил использовать для охлаждения вихревой эффект с помощью специальной трубы. Тангенциально по отношению к внутренней поверхности трубы установлено сопло (рис. 1.4). Около сопла расположена диафрагма с концентрическим отверстием. По одну сторону от диафрагмы находится свободный выход (холодный конец), а по другую — дроссельный вентиль (горячий конец). Поток сжатого воздуха, предварительно охлажденного водой, поступает в сопло, завихряется и приобретает кинетическую энергию. Через центральное отверстие диафрагмы воздух выходит охлажденный, а через свободный выход — нагретый. В трубе воздух раз- Рис. 1.4. Вихревая труба: a — конструкции; б — деляется на два потока — схема протекания воздуха; 1 — сопло; 2 — диафхолодный и горячий. Ко- рагма; 3 — дроссельный вентиль; 4 — горячий личество воздуха и, следовательно, температуру потоков можно регулировать бльшим или меньшим открыванием дроссельного вентиля.

Воздушный поток, вышедший из сопла, образует вихрь, угловая скорость W вращения которого велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дроссельному вентилю поток, вследствие наличия сил трения между слоями газа, приобретает почти одинаковую угловую скорость, так как внутренние слои теряют скорость, а внешние набирают ее.

В начальный момент процесса разделения газа угловая скорость элементарной массы его на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем в последующий момент. При этом получается избыток кинетической энергии, который передается внешним слоям, повышая их температуру. Внутренние слои газа, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию внешним слоям посредством трения, не получают в поле вихревого разделения газа эквивалентного возврата тепла от них. Температурное расслоение газа в вихревой камере происходит значительно быстрее наступления термического равновесия. Вследствие этого внешние слои выходят через дроссельный вентиль нагретыми, а внутренние — через отверстие в диафрагме — холодными. Термодинамически процессы вихревой трубы мало эффективны. Получение охлаждающего эффекта таким путем связано с перерасходом энергии в 8—10 раз по сравнению с воздушной холодильной машиной.

Можно получить низкие температуры и термоэлектрическим способом (эффект Пельтье). Термоэлектрические явления обусловлены наличием связи между тепловыми и электрическими процессами. Если к термопаре подвести постоянный ток, один из спаев будет нагреваться, другой охлаждаться. При перемене направления тока изменится и нагрев спаев — нагретый будет охлаждаться, а холодный нагреваться. Эффект Пельтье обусловлен особенностями прохождения потока электронов через поверхность спая разнородных металлов. Описанное явление открыто еще в 1834 г., но практического значения долгое время не имело.

В последние годы эффект Пельтье применен в домашних электрохолодильниках и комнатных кондиционерах с термопарами из различных полупроводников.

1.2. Основные параметры и единицы их измерения Тепловое состояние физического тела характеризуется его температурой, которая является одним из основных параметров состояния тела.

Международная система единиц (СИ) предусматривает для измерения температуры применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и Международной практической температурной шкалы. Температуры по каждой из этих шкал могут быть выражены в градусах Кельвина (Т К) и в градусах Цельсия (t °С) в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале. По шкале Кельвина за начало отсчета принят абсолютный нуль, расположенный на 273, 16 К ниже тройной точки воды. При абсолютном нуле прекращается поступательное и вращательное движение атомов и молекул. По шкале Цельсия за начало отсчета принята точка таяния льда, которая лежит на 273, 15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 ниже тройной точки воды при нормальном атмосферном давлении.

Соотношение между t °C и ТК: t = Т–273,15 °С, или приближенно t = T–273 °С.

Для измерения температуры используют следующие приборы:

жидкостные и газовые термометры, в которых происходит изменение объема жидкости или газа;

манометрические термометры, в которых изменяется давление газа в замкнутой системе;

термометры сопротивления, в которых происходит изменение электрического сопротивления проводника (датчика) в зависимости от температуры;

термоэлектрические пирометры (термопары), в которых два проводника из различных материалов образуют замкнутую цепь и имеют два спая; в цепи возникает электродвижущая сила, пропорциональная разности температур спаев.

Чтобы определить физическое состояние вещества, необходимо знать его температуру и давление, т.е. силу, действующую на единицу поверхности перпендикулярно к ней (в холодильных установках это давление газов, паров или жидкостей на стенки труб, сосудов и т.п.). Основной единицей измерения давления является паскаль (Па), т.е. сила в 1 ньютон (Н), приходящаяся на 1 м2 площади (1 Па = 1 Н/м2). Эта единица давления очень мала, поэтому применяют укрупненные единицы-килопаскаль и мегапаскаль (кПа и Мпа соответственно).

Давление измеряют жидкостными или пружинными манометрами. Манометры, показывающие разрежение или вакуум, называют вакуумметрами.

Давление по манометру называют избыточным или манометрическим Pман, в отличие от абсолютного P, учитывающего давление атмосферного воздуха Pбар. Атмосферное давление приблизительно составляет 0,1 МПа:

Температура, давление и объем любого тела определяют его физическое состояние.

Все вещества отличаются одно от другого плотностью. Плотностью вещества (кг/м3) называют величину, численно равную массе единицы его объема, т.е.

где m и V — соответственно масса и объем тела. За единицу массы всех веществ и тел принят килограмм (кг). Для характеристики газов используют также понятие удельного объема (м3/кг), т.е. объема единицы массы = V/m = 1/P.

К сложным параметрам относятся: удельная внутренняя энергия u; удельная энтропия S; и удельная энтальпия i.

Энтропия — это функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой. В термодинамических расчетах используют не абсолютное значение энтропии, а ее изменение в процессе теплообмена, которое определяется отношением количества подведенной (или отведенной) теплоты к средней термодинамической температуре рабочего тела:

где S1, S2 — соответственно начальная и конечная энтропия, Дж/К;

Q — теплота, подведенная к рабочему телу или отведенная от него, Дж.

Процессы без подвода или отвода теплоты называются адиабатными и протекают при S = const.

Энтальпией называется полная энергия рабочего тела. Удельная энтальпия равна сумме удельной внутренней энергии U и потенциальной энергии давления p:

В процессах с постоянным давлением при переходе тела из одного состояния в другое количество подведенной или отведенной теплоты равно разности энтальпий:

Затраченная или полученная работа в адиабатном процессе определяется также разностью энтальпий:

Для нагревания одинакового количества различных физических тел одной и той же массы на одно и то же число градусов необходимо подвести различное количество теплоты. Это объясняется различной теплоемкостью тел.

Теплоемкость — это отношение количества теплоты Q, сообщаемого телу, к соответствующему изменению его температуры: С = Q/T.

Отношение теплоемкости к массе тела m называется удельной теплоемкостью: с = С/т. В СИ удельная теплоемкость выражается в Дж/(кг·К).

Теплоемкость зависит от химического состава и состояния тела, процесса сообщения ему теплоты, его температуры. С понижением температуры теплоемкость в большинстве случаев уменьшается.

Если тело нагревается от T1 до Т2, то средняя удельная теплоемкость будет:

Теплоемкость газов существенно зависит от условий подвода тепла.

Различают удельную теплоемкость газа при постоянном давлении ср и при постоянном объеме с. Установлено, что ср > с. Для жидкостей различием в этих теплоемкостях пренебрегают ввиду его малости.

1.3. Первый и второй законы термодинамики Первый закон термодинамики является выражением закона сохранения энергии для термодинамической системы. Согласно первому закону термодинамики теплота Q, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы U и совершение системой работы L против внешних сил: Q = U + L.

Для рабочего тела массой 1 кг первый закон термодинамики выражается уравнением:

где Q — удельное количество теплоты, подведенное к телу в процессе изменения его состояния, Дж/кг; U1, U2 — удельная внутренняя энергия тела в начале и в конце процесса, Дж/кг; L — удельная внешняя работа, совершенная телом, Дж/кг.

Обратимые и необратимые процессы. Изменение состояния рабочего тела, при котором параметры состояния (все или некоторые) изменяются, а масса рабочего тела остается постоянной, называется термодинамическим процессом. Процессы бывают обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может быть проведен в обратном направлении через все промежуточные состояния прямого процесса, в результате чего вся система приобретает первоначальное состояние. Необратимый процесс протекает только в одном направлении.

Второй закон термодинамики. Если погрузить тело, имеющее низкую температуру, в горячую воду, вода будет охлаждаться, а тело — нагреваться, т.е. вода будет отдавать свою теплоту более холодному телу. С точки зрения молекулярной теории, это объясняется так: средняя скорость движения молекул горячей воды выше, чем холодного тела, поэтому молекулы горячего тела отдают свою энергию менее подвижным молекулам холодного тела и увеличивают скорость их движения. Такая передача энергии будет происходить до тех пор, пока средняя скорость обоих тел и их температуры не сравняются. Таким образом, передача теплоты от теплого тела к более холодному происходит без затраты какой-либо энергии. Обратный процесс, т.е. передача теплоты от холодного тела к теплому, самопроизвольно не осуществляется. Но при затрате работы он может быть осуществим. Поэтому второй закон термодинамики может быть сформулирован так: чтобы передать теплоту от холодного тела к теплому, необходимо затратить работу.

Теплота — это энергетическая характеристика процесса теплообмена, измеряемая количеством энергии, передаваемым от одного тела к другому тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучистым теплообменом.

Теплопроводность — это процесс распространения тепла в теле вследствие теплового движения его молекул. Скорость движения молекул при повышении температуры возрастает, увеличивается число соударений с соседними молекулами. В твердых телах теплопроводность — единственный способ распространения тепла.

Конвекция — это процесс передачи тепла в жидкости или газе вследствие теплопроводности и непосредственного перемещения их частиц из одной части объема в другую. Конвективный перенос тепла наблюдается в движущихся жидкостях, газах, сыпучих телах.

Лучистый теплообмен — это процесс передачи тепла от одного тела к другому тепловыми лучами (электромагнитными колебаниями) через промежуточную прозрачную для теплового излучения среду. В облучаемом теле лучистая энергия вновь трансформируется в энергию теплового движения молекул (атомов).

Универсальной единицей измерения работы, любого вида энергии, а также количества теплоты в системе СИ является джоуль (Дж), представляющий собой работу силы в 1 Н на пути в 1 м при совпадении направлений силы и перемещения точки ее приложения.

Единицей измерения мощности является ватт (Вт), представляющий собой мощность, соответствующую работе в 1 Дж, совершенной в 1 с (1 Вт =1 Дж/с). Единицы измерения тепловой (холодильной) мощности и теплового потока, а также коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи и теплопроводности выражают в ваттах или кратных им единицах.

Соотношения между единицами измерения тепловой энергии следующие:

1 кДж = 0,239 ккал = 0,278·10-3 кВт·ч;

1 ккал = 4,187 кДж = 1,163·10-3 кВт·ч;

1 кВт·ч = 3600 кДж = 860 ккал.

Способность различных веществ проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности [кВт/(м·К)], т.е. количеством тепла, которое проходит через проводник (тело) длиной 1 м с поперечным сечением 1 м2 за 1 ч при разности температур на его концах в один градус.

Теплоотдача — это процесс теплообмена между твердой стенкой (телом) и обтекающей ее жидкой (газообразной) средой.

Теплопередача — это процесс теплообмена между двумя средами, разделенными некоторой перегородкой.

Коэффициент теплоотдачи [кВт/(м2К)] показывает, какое количество тепла отдается (отбирается) в 1ч. с единицы поверхности тела при разности температур среды и поверхности тела в один градус. Коэффициент теплопередачи к [кВт/(м2К)] определяет количество тепла, проходящее в 1 ч через единицу поверхности при разности температур веществ по обе стороны этой поверхности в один градус.

Для практических расчетов стационарных (постоянных во времени) процессов теплоотдачи и теплопередачи используют формулы:

где Q — количество тепла, отданного или приобретенного потоком жидкости (газа), кДж;, к — соответственно коэффициент теплоотдачи и теплопередачи, кВт/(м2·К); Tст, Т — средняя температура соответственно стенки и жидкости, К; F — поверхность обтекаемой стенки, м2; т — время (длительность процесса), ч; t1, t2 — средние температуры греющей и обогреваемой среды соответственно, К. Термическим сопротивлением называют величину, обратную коэффициенту теплоотдачи или теплопередачи, например Rк = 1/к.

Разности температур типа T = T1 – T2 называются температурными напорами.

Подвод или отвод тепла приводит к нагреванию или охлаждению тела.

1.4. Агрегатное состояние вещества Агрегатное состояние вещества (твердого, жидкого, газообразного) зависит от внешних условий — температуры и давления. При определенном изменении этих условий в теле меняется форма связи между молекулами и оно переходит из одного агрегатного состояния в другое. Например, если лед нагревать, то через некоторое время он обратится в воду, а при дальнейшем нагревании — в пар.

Если же от водяного пара отнимать тепло, то он сначала сконденсируется в воду, а в дальнейшем затвердеет и обратится в лед.

Переход однородного тела из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре, зависящей от физических свойств вещества и условий перехода его из одного состояния (фазы) в другое. Постоянство температуры при переходе тела, например, из твердого состояния в жидкое и из жидкого в парообразное, объясняется тем, что тепло, используемое на изменение агрегатного состояния тела, расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами, на увеличение потенциальной энергии частиц его. А приращение потенциальной энергии не сопровождается ощутимым нагревом. Тепло, воспринимаемое телом, остается в скрытом виде.

Переход тела из одного агрегатного состояния в другое — физический процесс.

Изменение агрегатного состояния тела сопровождается выделением или поглощением соответствующего количества тепла, расходуемого на внутреннюю работу по перегруппировке молекул. Для получения холода имеют значение такие изменения агрегатного состояния тела, которые протекают при низких температурах и сопровождаются поглощением тепла из охлаждаемой среды.

Переход химически однородного тела из одного агрегатного состояния в другое характеризуется диаграммой (рис. 1.5). При подводе тепла к жидкости по достижении определенной температуры начинается парообразование, т.е. постепенное превращение жидкости в пар. Переход тела из жидкого состояния (фаза II) в газообразное (фаза III) при постоянной температуре с подводом тепла называется процессом кипения. Этому процессу предшествует процесс испарения жидкости, усиливающийся с повышением температуры. Обратный процесс превращения пара в жидкость, протекающий с отъемом того же количества тепла, называется конденсацией.

Кипение происходит при такой температуре, когда упругость образующихся паров жид- Рис. 1.5. Диаграмма фазовых состояний кости становится равной давлению в окружающем жидкость пространстве. Следовательно, температура кипения зависит от физических свойств жидкости и определяется давлением паров над ней. С понижением давления паров снижается и температура кипения жидкостей. Температура кипения жидкости есть одновременно температура ее насыщенного пара при данном давлении.

У всех жидкостей температура кипения возрастает с повышением давления и снижается с его уменьшением.

При кипении парообразование происходит не только на свободной поверхности жидкости, но и во всей ее массе с подъемом пузырьков в пространство над поверхностью.

Испарение происходит практически при любых, в том числе и низких температурах; пары образуются над открытой поверхностью жидкости. Жидкость испаряется, когда упругость ее паров ниже давления в окружающем пространстве. В хладотехнике часто под термином «испарение» понимают процесс кипения жидкости.

Теплотой испарения называют количество тепла (кДж/кг), необходимое для превращения 1 кг жидкости при данном давлении и неизменной температуре в сухой насыщенный пар.

Конденсация — это процесс перехода пара в жидкое состояние при охлаждении или при сжатии и охлаждении одновременно. Для такого изменения агрегатного состояния давление и температура пара должны быть ниже критических, при которых исчезает различие между жидкостью и паром. Если температура пара будет выше критической, то данное вещество не может быть обращено в жидкое состояние, какое бы высокое давление ни создавалось.

Теплота конденсации — это количество тепла, которое необходимо отвести от 1 кг пара для перехода его в жидкое состояние.

Температура конденсации зависит от физических свойств вещества и давления конденсирующихся паров; в процессе конденсации она остается постоянной. Температура конденсации жидкости равна температуре ее кипения.

Переход вещества из твердого состояния (см. фазу I, рис. 1.5) в жидкое при подводе необходимого количества тепла называется плавлением (обратный процесс — затвердевание). Точка пересечения линий испарения и плавления в координатах давление — температура (точка Л) называется тройной точкой. Давление и температура однокомпонентного вещества в тройной точке (рА, TА) являются термодинамическими константами (постоянными) этого вещества. Например, для тройной точки воды эти константы таковы:

TА = 273, 16 К; рA = 0, 00062 МПа. В тройной точке имеет начало линия возгонки, или сублимации.

Сублимация — это процесс перехода некоторых твердых веществ в парообразное состояние непосредственно, минуя жидкую фазу. Такими физическими свойствами обладают летучие вещества (например, сухой лед), пары которых имеют значительное давление уже при температурах ниже точки плавления. Теплота сублимации — это количество тепла, необходимое для перехода 1 кг вещества в пар при постоянном давлении и неизменной температуре, минуя жидкую фазу.

Линии фазовых превращений в координатах давление—температура являются изображениями термодинамического равновесия двухфазовых систем (см. рис. 1.5): линия кипения изображает равновесие пара и жидкости; линия плавления — равновесие жидкой и твердой фаз; линия сублимации — равновесие пара (газа) и твердой фазы. Каждая линия фазовых превращений характеризует зависимость температуры данного фазового превращения от давления (и наоборот).

По мере повышения давления различие удельных объемов и других физических характеристик равновесных элементов — кипящей жидкости и сухого насыщенного пара уменьшается, а вместе с тем уменьшается и значение теплоты испарения. В критической точке K (конечная точка на линии испарения) исчезают основные различия между жидкостью и ее паром. Удельные объемы и прочие характеристики кипящей жидкости и сухого насыщенного пара при этом равны, а скрытая теплота испарения обращается в нуль. Параметры критической точки следующие: Ркр — критическое давление, при котором и выше которого жидкость не может быть превращена в пар; Tкр — критическая температура, при которой и выше которой пар не может быть сконденсирован.

Теплота, расходуемая на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекулы жидкости, называется скрытой или удельной теплотой парообразования L. Аналогично теплота других изотермических превращений вещества (плавления, сублимации), протекающих без изменения температуры, называется скрытой теплотой плавления или сублимации. Удельная теплота парообразования воды очень велика — 2256 кДж/кг при температуре 373 К. У других жидкостей (спирт, аммиак, ртуть) она различна, но в несколько раз меньше.

Конденсация пара наступает при охлаждении его до температуры кипения данной жидкости или несколько ниже этой температуры. Если температура кипения конкретной жидкости очень низка, но необходимо сконденсировать пар при более высокой температуре, то его следует сжать до такого давления, которому соответствует температура кипения, равная выбранной температуре конденсации. Именно такой способ широко применяется в холодильной технике. Регулируя давление, при котором происходит кипение, можно регулировать (изменять) температуру охлаждения. Этот принцип охлаждения положен в основу работы паровой компрессионной и абсорбционной холодильных машин.

Для поддержания непрерывного кипения жидкости необходимо выполнить два условия — довести жидкость до требуемой температуры кипения и сообщить ей скрытую теплоту парообразования.

Для превращения в пар жидкости массой m потребуется следующее количество тепла: Qп = mL.

При конденсации пара благодаря отдаче скрытой теплоты парообразования происходит выделение такого же количества тепла Qк = – mL. Принято считать количество тепла положительным, если тело его получает, и отрицательным, если отдает.

При повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Сухой насыщенный пар получается при полном испарении (выкипании) всей нагреваемой жидкости. Сухой насыщенный пар — это физическое тело неустойчивого состояния; даже незначительный отвод от него тепла при постоянном давлении приводит к частичной конденсации и переходу во влажный пар. Влажный пар — это смесь сухого насыщенного пара с жидкостью, т.е. с мельчайшими взвешенными капельками жидкости. Состав этой смеси определяется массовым содержанием сухого пара х в 1 кг смеси, называемым степенью сухости или паросодержанием. Характеризуется влажный пар также массовым содержанием жидкости в кг смеси, равным (1 – х) и называемым влажностью пара. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой и степенью сухости.

Нагревание сухого насыщенного пара при постоянном давлении приводит к повышению его температуры и переходу в состояние перегретого пара. Перегретый пар имеет температуру более высокую, чем насыщенный пар того же давления. Плотность перегретого пара ниже плотности насыщенного пара при одинаковых значениях давления и температуры.

В соответствии со вторым законом термодинамики непрерывное искусственное охлаждение не может происходить без затраты энергии. Совокупность процессов, которые при этом осуществляет рабочее тело, называется обратным круговым процессом или обратным термодинамическим циклом. В прямом круговом процессе, или прямом термодинамическом цикле, тепло переносится от горячего тела к холодному (окружающей среде); при этом совершается работа. В обратном цикле тепло переносится от холодного тела к нагретому (окружающей среде); при этом затрачивается работа. Обратный цикл, в котором тепло от охлаждаемой среды передается окружающей среде (воде или воздуху), называется холодильным циклом.

Рассмотрим наиболее совершенный в термодинамическом отношении обратный цикл Карно, осуществляемый с минимальной затратой работы.

На рис. 1.6 изображен цикл Карно в диаграмме Т–S. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. В изотермическом процессе 4—1 к рабочему телу подводится тепло q0, отнимаемое от источника тепла низкой температуры Т0. Это тепло выражается площадью 4—1— а—b. В адиабатическом процессе 1—2 рабочее тело сжимается компрессором от начального давления Р0 до конечного давления Рк, при этом его температура повышается от Т0 до темпеРис. 1.6. Обратный цикл Карно ратуры окружающей среды или источника высокой температуры Тк. На сжатие затрачивается работа lсж. В изотермическом процессе 2—3 рабочее тело отдает источнику высокой температуры Тк тепло qк, которое выражается площадью 2— 3—b—а. Чтобы рабочее тело снова могло отнимать тепло от источника низкой температуры, оно адиабатически расширяется в детандере (процесс 3—4) от давления Рк до Р0, при этом его температура понижается от Тк до Т0. В процессе адиабатического расширения рабочее тело совершает работу lрасш. Таким образом, в результате осуществления обратного цикла тепло q0 отводится от источника низкой температуры Т0 и передается источнику высокой температуры Тк. Чтобы такой перенос тепла был возможен, затрачивается работа цикла lц, равная разности работы, затраченной в компрессоре и полученной в детандере:

В соответствии со вторым законом термодинамики тепловой баланс холодильной машины выражается равенством:

Следовательно, величина lц может быть выражена площадью 1— 2—3—4, равной разности между площадями 2—3—b—а и 4—1 —а—b.

Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом. Холодильным коэффициентом называется отношение количества тепла, отведенного от охлаждаемого источника, к затраченной работе:

Из равенства (1.6) Следовательно, Выражение (1.7) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от физических свойств рабочего тела, а является лишь функцией температур Т0 и Тк. Холодильный коэффициент тем больше, чем выше температура источника низкой температуры Т0 и чем ниже температура источника высокой температуры Тк. В действительных условиях работы источником низкой температуры является охлаждаемое тело: воздух, вода, рассол, продукт, грунт и т.д., источником высокой температуры — охлаждающая среда: вода или воздух.

Согласно выражению (1.6), чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работа, затрачиваемая на получение единицы холода, т.е. выше экономичность работы холодильной машины. Исходя из этого необходимо при проектировании холодильной установки стремиться к возможно наиболее высокой температуре Т0 и к более низкой температуре Тк.

Обратный цикл Карно характеризует минимальную величину работы, необходимую для осуществления холодильного цикла в заданном интервале температур охлаждаемой и охлаждающей сред.

Рабочее тело, с помощью которого осуществляется холодильный цикл, называется холодильным агентом.

Тепло, подведенное к холодильному агенту от источника низкой температуры за один час, называется холодопроизводительностью Q0 Вт.

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента или количество тепла, необходимого для испарения 1 кг холодильного агента, называется весовой холодопроизводительностью — q0 кдж/кг.

Холодопроизводительность 1 м3 парообразного холодильного агента или количество тепла, которое отнимает холодильный агент для получения 1 м3 пара, называется объемной холодопроизводительностью q кдж/м3.

Объемная холодопроизводительность определяется как отношение весовой холодопроизводительности q0 к удельному объему всасываемых паров в м3/кг:

Весовая и объемная холодопроизводительность зависят от условий работы машины: чем ниже t0 и выше tк, тем меньше q0 и q.

Эта величина определяет часовой объем компрессора, т.е. конструкционные характеристики холодильной машины.

Термодинамические диаграммы. Для определения параметров при расчетах циклов холодильных машин применяют таблицы параметров хладагентов, а также тепловые диаграммы.

Наиболее распространенными являются диаграммы: энтропиятемпература (S—Т) и энтальпия-давление (lgp- i) (рис. 1.7).

Диаграмма Т—S. В диаграмме Т—S по оси абсцисс откладывают энтропию S и проводят вертикальные линии постоянных энтропии — адиабаты, по оси ординат откладывают абсолютную температуру Т и проводят горизонтальные линии постоянных температур — изотермы. По полученной сетке из адиабат и изотерм наносят пограничные кривые: левая кривая характеризует состояние насыщенной жидкости (паросодержание х = 0), правая кривая — состояние сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими пограничными кривыми расположена область влажного пара 2.

Левая пограничная кривая отделяет от области влажного пара область переохлажденной жидкости 1, а правая — область перегретого пара 3. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний х, линии постоянных давлений р — изобары, линии постоянных объемов v — изохоры, линии постоянных энтальпий i — изоэнтальпы. Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Характер линий постоянных х, v, i виден на рис. 1.7.

В диаграмме Т—S подведенная и отведенная теплота, затраченная и полученная работа изображаются площадями. На рис. 1.8, а для примера Рис. 1.7. Тепловые диаграммы: a—S — T; б—i—lgp показана теплота, подведенная к телу в изотермическом процессе 1—2, эквивалентная площади 1—2—а—b, теплота, отведенная в изобарном процессе 3—4, эквивалентная площади 3—4—d—с.

Тепловой расчет одноступенчатой паровой холодильной машины.

При тепловом расчете холодильной машины определяют:

— объем, описываемый поршнем компрессора, м3/ч. По величине этого объема подбирают компрессор;

— тепловую нагрузку на конденсатор, Вт, по величине которой определяют его поверхность;

— эффективную мощность Nэ, кВт, на валу компрессора;

— тепловую нагрузку на переохладитель или теплообменник, по величине которой определяют их поверхности.

Основанием для расчета служит заданная холодопроизводительность машины Q0 брутто(Вт) с указанием хладагента, температурных условий работы и намечаемых компрессоров и аппаратов.

С помощью диаграммы S—T и i—lgP и таблиц насыщенных паров (табл. 1.2. и 1.3) соответствующих хладагентов определяют параметры узловых точек цикла холодильной машины.

Рис. 1.8. Изображение количества теплоты в диаграммах: S—T (а); i—lgP (б) Хладагент Определяемые Удельная холодопроизq0 = 569,4-443,8 = q0= 624-452,2 = водительность 1 кг хладагента, кДж/кг ная масса всасываемого ДействительVд = 0,07940,11 = Vд = 0,05850,08 = ный объем Коэффициент терь при рабочих условиях = Рк = 10 кН/м ) виях Коэффициент подачи компрессора Определяемые сываемый Объемная водительность в рабочих условиях, кДж/м условиях, кДж/м подогрева в условиях Коэффициент объемных потерь при условиях P0 = 10кН/м2) Коэффициент прессора в стандартных условиях Теоретическая работа сжатия, кДж/кг Определяемые коэффициент Теоретическая мощность, затрачиваемая комNтеор = 0.079433,6 = Nтеор = 0.058546 = прессором, кВт: в Nтеор = Gдl зависимости от G Индикаторi = п + bt ный КПД мощность, кВт Мощность трения, кВт Эффективная мощность, кВт грузка на конQк = G(i2 – i3) денсатор и переохдадитель, Вт Пример. Произвести тепловой расчет фреоновых холодильных машин с вертикальными компрессорами холодопроизводительностью 100000 Вт при условиях работы и параметрах узловых точек цикла холодильной машины, приведенных в таблице.

По диаграмме i-lgр находим энтальпии всех точек (рис 1.8, в) для хладона R12 и фреона R22 (табл…). Удельные объемы пара находим по диаграммам в точке 1. Формулы, по которым выполнен расчет, и результаты расчета указаны в таблице.

По стандартной холодопроизводительности: для хладона R Qос = 134500 Вт и для фреона R22 Qос = 105000 Вт и по объему, описанному поршнями, для хладона R12 Vh = 529,2 м3/ч и для фреона R22 Vh = 270 м3/ч, можно подобрать компрессор для каждой холодильной установки.

Зависимость холодопроизводительности компрессора и потребляемой мощности от температурного режима называют характеристикой холодильной машины. Каждой холодильной машине свойственна определенная характеристика, которая учитывает особенности конструкции, термодинамического цикла, осуществляемого в машине, и свойства рабочего вещества.

Диаграмма lgp- i. Сетку диаграммы составляют горизонтальные линии — изобары и вертикальные линии — изоэнтальпы. Для более отчетливого изображения тепловых процессов обычно по оси ординат применяют логарифмический масштаб (lgp). На диаграмме нанесены линии постоянных t, s, x, v (рис. 1.8,б). Преимуществом диаграммы i-lgp является то, что теплота и работа в этой диаграмме изображаются не площадями, а отрезками по оси абсцисс, Так, теплота, подведенная в изотермическом процессе 1—2, равна разности энтальпий i2 — i1 или отрезку 1—2.

1.6. Классификация и теплотехнические основы работы Холодильная машина обеспечивает понижение температуры в ограниченном пространстве (в холодильной камере) ниже температуры окружающей среды и поддерживает там требуемый температурный уровнь в течение определенного времени. Принципиальная возможность работы холодильной машины, связанная с непрерывным переносом теплоты от менее нагретого тела (охлаждаемого), находящегося в холодильной камере, к более нагретому — окружающей среде, согласно второму закону термодинамики может быть реализована затратой внешней энергии. Теплоту, передаваемую при температуре ниже температуры окружающей среды, называют холодом.

В холодильных машинах передачу холода осуществляют с помощью рабочего тела — холодильного агента (хладагента), в качестве которого используют газы, пары и водные или металлические растворы. Особенность газовых, в частности, воздушных машин, состоит в том, что хладагент в процессе работы не изменяет свое агрегатное состояние. В паровых холодильных машинах рабочее тело претерпевает фазовые превращения по схеме пар—жидкость—пар; в машинах, работающих на растворах, периодически изменяют концентрацию раствора, что приводит к изменению теплового взаимодействия — к чередованию поглощения и выделения теплоты.

Работу холодильной машины можно осуществить, используя в качестве внешней энергии механическую, тепловую или электрическую.

Машины двух последних типов называют соответственно теплоиспользующими и термоэлектрическими. Одним из основных процессов в непрерывно действующей холодильной машине с затратой механической или тепловой энергии является процесс сжатия рабочего тела.

Машины, в которых такой процесс осуществляют механическими агрегатами, компрессорами — называют компрессорными: при использовании для сжатия струйных аппаратов (эжекторов) — эжекторными; при использовании термохимических компрессоров, работающих по принципу химической абсорбции, — абсорбционными.

В качестве компрессорных агрегатов в холодильных машинах применяют компрессоры объемного сжатия — поршневые, роторные, винтовые, а также кинетического сжатия — лопаточные (в большинстве случаев центробежного типа). В зависимости от числа ступеней повышения давления (ступеней сжатия) в компрессоре холодильные машины подразделяют на одно, двух и- и многоступенчатые для получения низких температур.

По температурному уровню, с которого производят отвод теплоты, холодильные машины всех типов подразделяют на:

– высокотемпературные (диапазон охлаждения от –10 до +20 °С);

– среднетемпературные (от –30 до –10 °С);

– низкотемпературные (ниже –30 °С).

По тепловой мощности — холодопроизводительности для холодильных машин принята условная градация: малая до 15 кВт, средняя 15—120 кВт и большая свыше 120 кВт.

Сравнение паровых холодильных машин по этому показателю проводят по значению стандартной холодопроизводительности, которое соответствует стандартным температурам кипения и конденсации рабочего тела –15 и +30 °С.

По назначению холодильные машины делят на стационарные (универсальные), транспортные и специализированные.

Наиболее распространены паровые компрессорные холодильные машины, обладающие лучшими энергетическими и удельными показателями по габаритным размерам и массе. В диапазоне малой и средней мощности установки с машинами такого типа эффективно перекрывают весь требуемый температурный уровень охлаждения.

Однако, как и все установки с машинными агрегатами, они достаточно сложны, дорогостоящи и не обладают высокой надежностью.

Абсорбционные холодильные машины просты по устройству, не имеют машинных агрегатов, а следовательно, дешевы, надежны и удобны в эксплуатации. В установках такого типа могут быть использованы вторичные энергетические ресурсы, в частности, отработавшие газы тепловых двигателей. Существенный недостаток абсорбционных машин, сдерживающий их использование в транспортных холодильных установках, — это неудовлетворительные удельные показатели по габаритным размерам и массе.

Термоэлектрические холодильные машины, в которых осуществляется безмашинное преобразование электрической энергии в тепловую, наиболее просты, надежны и удобны. Недостатки термозлектрических машин (малая эффективность и высокая стоимость) ограничивают их применение высокотемпературными установками малой мощности.

Сравнительная оценка показателей работы холодильных установок, позволяющая установить конкретные количественные границы оптимального использования машин того или иного типа в требуемом температурном диапазоне, весьма затруднительна. Трудность такой оценки связана не только с необходимостью определения приведенных затрат на получение холода по большому числу факторов (энергетических, экономических, габаритных и т.п.), но и учета специфических требований эксплуатации. В частности, для транспортных холодильных установок требования по габаритным размерам, массе и надежности часто оказываются важнее, чем требования по минимуму приведенных затрат на получение холода.

Непрерывное действие холодильной машины обеспечивает круговой термодинамический процесс изменения состояния рабочего тела, называемый обратным или холодильным циклом. Баланс энергии такого цикла:

где Q0 — теплота, отводимая от рабочего тела в процессе охлаждения (холодопроизводительность машины); Lц — внешняя энергия, затрачиваемая на совершение цикла; Q1 — теплота, передаваемая окружающей среде.

Термодинамическую эффективность холодильного цикла оценивают холодильным коэффициентом:

Холодильный коэффициент определяет удельную холодопроизводительность (работоспособность) машины, т.е. количество теплоты, отводимой в процессе охлаждения на единицу затрачиваемой энергии. Холодильный коэффициент и удельная холодопроизводительность — основные энергетические показатели работы холодильной машины.

Оценку эффективности теплоиспользующих холодильных машин производят по величине теплового коэффициента где Qц — внешняя тепловая энергия, затрачиваемая на совершение цикла.

Связь между тепловым и холодильным коэффициентами с достаточной для практических целей точностью может быть выражена соотношением:

где TQ — температурный уровень тепловой энергии, затрачиваемой на совершение цикла; T1 — температура окружающей среды.

1.7. Рабочий процесс паровой компрессорной холодильной Принципиальная схема и термодинамический цикл. Обратный цикл Карно может быть реализован в паровой компрессорной машине с детандером (расширительная машина), работающей в области влажного пара. В этом случае изотермические процессы теплообмена обеспечивают эндотермическими фазовыми переходами (парообразованием — кипением и конденсацией).

Однако осуществить такой цикл в машине трудно из-за низкой удельной холодопроизводительности и вследствие необходимости сжатия в компрессорном агрегате влажного пара.

Принципиальная схема (рис. 1.9), положенная в основу работы современных паровых компрессорных машин, включает агрегат сжа- Рис. 1.9. Принципиальная схема паротия — компрессор К, теплообмен- вой компрессорной холодильной ный аппарат — конденсатор КС, который обеспечивает процесс передачи теплоты окружающей среде, теплообменный аппарат-испаритель И, осуществляющий отвод теплоты от охлаждаемых объектов, чтобы поддерживать в холодильной камере температуру ниже температуры окружающей среды, а также дроссельный вентиль Д. Замена в схеме машины агрегата расширения (детандера) дроссельным вентилем и, следовательно, обратимого процесса расширения на необратимый процесс дросселирования связана с тем, что работа расширения жидкого рабочего тела в цикле паровой холодильной машины мала, а упрощение конструкции в результате такой замены существенно.

Работа машины по приведенной схеме теоретически протекает следующим образом. Компрессор засасывает из испарителя рабочее тело в виде сухого насыщенного пара с параметрами Р0, T0, х = 1 и изоэнтропно сжимает его до давления Рк, обеспечивающего требуемую температуру конденсации Тк, при которой осуществляют отвод теплоты в конденсаторе, охлаждаемом наружным воздухом или водой. Перегретый в процессе сжатия пар рабочего тела охлаждают в конденсаторе при постоянном давлении, превращая его в жидкость (х = 0). При этом в конденсаторе рабочее тело последовательно отдает теплоту перегрева и парообразования.

В дроссельном вентиле в процессе дросселирования, т.е. при h = const, давление жидкости снижается до давления парообразования, с которым жидкое рабочее тело поступает в испаритель. В результате подвода теплоты от охлаждаемых объектов, которые находятся в холодильной камере, рабочее тело в испарителе закипает и испаряется до состояния сухого насыщенного пара.

Термодинамический цикл, которому соответствует работа подобной машины, можно считать эталонным для паровых компрессорных машин;

его изображение в диаграммах Т—S и Р-h приведено на рис. 1.10. Площадки, заштрихованные на Т—S диаграмме (рис. 1.10 а), соответствуют удельной холодопроизводительности машины q0 и удельной энергии lц, затрачиваемой на совершение цикла. Необратимый процесс дросселирования показан штриховой линией. Использование диаграммы Р-h или lgp-h (рис. 1.10, б) при анализе и расчете холодильных машин существенно упрощает определение показателей их работы, так как представляет теплоту изобарных процессов теплообмена и изоэнтропную механическую работу в виде разности координат, т.е. в виде отрезков, а не площадей, как это имеет место при пользовании Т—S диаграммой.

Эталонный цикл отличается от обратного цикла Карно наличием необратимых потерь от перегрева паров (величина, пропорциональная площадке 2'-2-3'-2' на рис. 1.10, на которую возрастает удельная энергия) и дросселирования жидкого рабочего тела (посРис. 1.10. Термодинамический цикл ледние приводят к снижению удельной холодопроизводительности на величину q0 =h4 – h4. Улучшить показатели эталонного цикла можно перегревом паров в испарителе и переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем, которое может быть осуществлено в самом конденсаторе или в специальном теплообменном аппарате (переохладителе).

Перегрев паров в ряде случаев не дает ощутимого эффекта, так как он обычно проходит не в испарителе, а в магистрали между испарителем и компрессором (в трубопроводах и вспомогательных аппаратах).

Термодинамический цикл паровой холодильной машины в Т—S диаграмме приведен на рис. 1.10, в. Процесс перегрева паров в испарителе соответствует линии 1'-1, а переохлаждение жидкости — линии 3-3; с достаточной для практических целей точностью изобарный процесс переохлаждения заменен отводом теплоты по нижней пограничной кривой.

Процесс переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем, (ТРВ) направленный на снижение потерь от дросселирования (регенерация), можно осуществить в специальном теплообменном аппарате (регенераторе) паром, выходящим из испарителя. Схема холодильной машины с регенерацией приведена на рис. 1.11, где Ррегенератор. Внутренняя регенерация не устраняет необратимость от процесса дросселирования, а лишь приводит к замене одного необратимого процесса другим. Эффективность регенерации, как и других теплотехнических мероприятий, а также целесообразность их применения в холодильной машине зависят от теплофизических свойств рабочего тела, определяющих относительное влияние необратимых потерь на энергетические показатели — удельную холодопроизводительность цикла и величину холодильного коэффициента.

Введение регенератора в схему холодильной машины с поршневым компрессором помимо улучшения энергетических показателей цикла в резульРис. 1.11. Схема паровой комптате перегрева паров способствует за- рессорной холодильной машины щите компрессора от гидравлического удара, который может возникнуть вследствие попадания в цилиндр жидкого рабочего тела или смазочного масла.

Действительный цикл. Показатели действительного цикла учитывают влияние потерь, вызванных внешней и внутренней необратимостью процессов, обеспечивающих работу холодильной машины. Холодильный коэффициент действительного цикла в виде его приближения к циклу Карно при заданных значениях граничных температур T0 и Тк может быть представлен выражением где 0 — коэффициент относительного совершенства действительного цикла; 1, 2, 3, 4, — коэффициенты влияния необратимых потерь цикла на эффективность холодильной машины.

Внешняя необратимость цикла обусловлена тем, что процессы теплообмена в теплообменных аппаратах машины проходят не при температуре самих источников теплоты и даже не при бесконечно малой, а при конечной разности температур между рабочим телом и источником теплоты. Кроме того, в реальных условиях протекания процессов теплообмена внешняя необратимость усиливается нестационарностью режима работы, приводящей к изменению температуры источников. Потери от внешней необратимости зависят от теплофизических свойств рабочего тела и теплоносителя (воздух, вода, рассол), а также условий теплообмена, связанных с конструкцией теплообменного аппарата. Коэффициент относительного влияния внешней необратимости на эффективность действительного цикла может быть представлен в виде где Tокр — температура окружающей среды; Tкип — температура кипения рабочего тела.

Внутренняя необратимость цикла вызвана перегревом паров рабочего тела при сжатии и дросселированием жидкости. Потери от этих процессов определяют теплофизические свойства рабочего тела (степень его термодинамического совершенства) и характер теплотехнических мероприятий по их снижению (перегрев паров в испарителе, переохлаждение жидкости перед дроссельным вентилем, внутренняя регенерация и т.д.). Относительное влияние этих факторов на эффективность холодильной машины оценивают коэффициентами 2 и 3. Первый из них отражает термодинамическое совершенство рабочего тела, а второй — влияние дополнительных потерь, вызванных теплотехническими мероприятиями, использованными в цикле. Коэффициент термодинамического совершенства равен:

где п и др — коэффициенты необратимых потерь от перегрева паров при сжатии и дросселирования жидкости соответственно.

Потери от перегрева в основном определяют значения теплоемкости насыщенного и перегретого пара. Снижение этих потерь обеспечивают использованием рабочего тела с крутым протеканием верхней пограничной кривой. Потери от дросселирования зависят от теплоемкости жидкости и удельной теплоты ее парообразования. Снижение таких потерь достигают выбором рабочего тела с крутым протеканием нижней пограничной кривой. Во всех случаях для заданных температурных условий работы холодильной машины (температур охлаждения и окружающей среды) рабочее тело следует выбирать с таким расчетом, чтобы термодинамический цикл проходил при температурах, существенно отличающихся от критической температуры.

Для каждого рабочего тела, используемого в паровой холодильной машине, имеет место обратная пропорциональность между необратимыми потерями, которые определяют термодинамическое совершенство этого тела. Выбор теплотехнических мероприятий по повышению эффективности цикла подчиняют принципу минимума общей величины потерь от перегрева и дросселирования. Взаимную связь между составляющими оценивают критерием:

где r0 — удельная теплота парообразования рабочего тела при температуре Т0; q0 — удельная массовая холодопроизводительность рабочего тела.

При использовании в машине рабочего тела с низким значением критериях, когда преобладает влияние потерь от дросселирования, в цикл целесообразно вводить внутреннюю регенерацию.

При высоком значении (что соответствует преобладанию потерь от перегрева) необходимо интенсивно отводить теплоту в процессе повышения давления. В последнем случае наибольшую эффективность обеспечивает система теплотехнических мероприятий, позволяющих осуществить обратимый процесс сжатия: сначала по изоэнтропе до достижения давления, соответствующего температуре конденсации, а далее — по изотерме, т.е. теоретически при температуре окружающей среды. На рис. 1.10, а и б такому процессу соответствуют линии 1—2'—3'.

Помимо потерь от перегрева паров и дросселирования жидкости, внутреннюю необратимость холодильного цикла вызывают потери, обусловленные трением рабочего тела при его прохождении по конструктивным элементам машины (компрессоре, теплообменных аппаратах, магистралях), а также потери от необратимости процессов внутреннего теплообмена, нестационарных режимов работы и т.д. Влияние перечисленных факторов на эффективность цикла учитывают коэффициентом 4, отражающим относительное конструктивное совершенство машины и условия ее эксплуатации. Этот коэффициент обычно определяют по экспериментальным характеристикам соответствующих элементов холодильной машины.

Тепловой расчет термодинамического цикла. Расчет предусматривает определение количества рабочего тела (массового и объемного расхода), обеспечивающего требуемую холодопроизводительность q0 в соответствии с заданными температурами внешних источников, т.е. с видом охлаждаемого объекта, режимом работы машины и внешними климатическими условиями. В объем расчета входит также определение количества теплоты, отводимой в цикле (тепловая нагрузка конденсатора и переохладителя), а также основных показателей энергетической эффективности.

Расчет ведут при установившемся режиме работы, т.е. при постоянной температуре источников теплоты и неизменном расходе выбранного рабочего тела. Основные параметры цикла — давление кипения (парообразования) и конденсации рабочего тела Р0 и Рк находят для заданной температуры испарения Т0 (температура в холодильной камере) и температуры конденсации Тк (температура окружающей среды) по таблицам или диаграммам с учетом особенности теплообмена у внешних источников теплоты. Так, если отвод теплоты в конденсаторе производят воздухом, то разность температур в процессе теплообмена Tк = (10 20) K, при использовании для этой цели воды Tк = (5 8) К; в том случае, когда охлаждаемой средой служит воздух, разность температур в процессе теплообмена в испарителе T0 = 10 К, при охлаждении жидкого теплоносителя — рассола T0 = (5 8) К. Для жидкости разность между температурой кипения и конденсации принимают в пределах (5 8) К, для воздуха — порядка 10К.

Параметры в характерных точках цикла определяют с учетом рекомендаций по величине переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем и перегрева паров на входе в компрессор в зависимости от теплофизических свойств рабочего тела. При этом переохлаждение обычно выдерживают в пределах (2 4) К, а перегрев — на уровне (5 10) К.

Удельная массовая холодопроизводительность машины где h1 и h4 — энтальпия рабочего тела в соответствующих точках цикла (рис. 1.10, в).

Массовый расход рабочего тела, обеспечивающий требуемую холодопроизводительность, Объем паров рабочего тела на входе в компрессор где 1 — удельный объем паров на входе в компрессор (в точке цикла). Удельная объемная холодопроизводительность машины Теоретическая удельная работа компрессора, приходящаяся на единицу массы (расхода) рабочего тела:

Теоретическая мощность компрессора Степень повышения давления рабочего тела в компрессоре, определяющая его тип и конструкцию:

Холодильный коэффициент термодинамического цикла Количество теплоты, отводимой от рабочего тела в конденсаторе (тепловая нагрузка на конденсатор):

Количество теплоты, отводимой от рабочего тела при фреохлаждении (тепловая нагрузка на переохладитель):

Для цикла с регенерацией (рис. 1.11) удельная холодопроизводительность машины;

Рабочее тело в точке 1 представляет собой сухой насыщенный пар либо перегретый на (2—3) К. Состояние рабочего тела в точке 3 определяют по тепловому балансу регенератора:

Перегрев на всасывании в компрессоре для цикла с регенерацией составляет около 20 К.

1.8 Рабочий процесс и основные параметры поршневого Компрессор — это машина, которая в отличие от двигателей не совершает работу, а потребляет ее. Компрессор — один из основных и наиболее ответственных элементов холодильной машины.

Наиболее распространены поршневые холодильные компрессоры с возвратно-поступательным движением поршня. Простейший поршневой компрессор (рис. 1.12) состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 3.

Движение поршня обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом 4 от вала с приводным двигателем. В крышке цилиндра расположены нагнетательный 2 и всасывающий 5 клапаны компрессора.

За один оборот вала, т.е. за два хода поршня, в каждом цилиндре компрессора совершается полный рабочий процесс. При движении поршня 3 в надпоршневом пространстве создается разрежение и пары хладагента всасываются в цилиндр из испарителя И через открывающийся клапан 5. При обратном ходе поршня пары сжимаются и давление возрастает. Всасывающий клапан при этом закрывается, а сжатые пары через нагнетательный клапан 2 вытал- Рис. 1.12. Схема поршневого киваются в конденсатор К. Затем направление движения поршня меняется, нагнетательный клапан закрывается и компрессор вновь отсасывает пары из испарителя. Таким образом, циклически повторяется весь рабочий процесс.

В теоретическом компрессоре нет никаких энергетических и объемных потерь. В индикаторной диаграмме теоретического рабочего процесса компрессора линия а—1 (рис. 1.13) изображает всасывание паров хладагента при постоянном давлении Р0 (равном давлению в испарителе), линия 1—2 — адиабатическое (без потерь) сжатие, линия 2—b — нагнетание паров хладагента при постоянном давлении Рк в конденсаторе. Объем всасываемого пара соответствует объему, описываемому поршнем компрессора V=Vh. Производительность или подача компрессора должна соответствовать массовой (объемной) производительности испарителя, т.е. компрессор должен отсасывать весь пар, образовавшийся в испарителе при отъеме тепла хладагентом от охлаждаемого помещения. Только в таком случае в испарителе будет создавать- Рис. 1.13. Теоретический рабочий ся пониженное давление и требуемая процесс компрессора температура кипения хладагента. В свою очередь производительность конденсатора, т.е. реализуемый в нем тепловой поток, должна соответствовать подаче компрессора, чтобы весь нагнетаемый пар мог превратиться в жидкость.

Производительность холодильного компрессора выражается не только массой или объемом всасываемого в единицу времени пара, но и холодопроизводительностью машины, т.е. количеством тепла Q (Вт), воспринимаемого от охлаждаемой среды в единицу времени. Массу всасываемого компрессором пара G (кг/с) при заданной холодопроизводительности машины Q0 (Вт) и удельной массовой холодопроизводительности хладагента q0 (Дж/кг) определяют по формуле:

Объем всасываемых компрессором паров V (м3/с) при их удельном объеме v1 (м3/кг), соответствующем состоянию пара перед всасывающим клапаном компрессора, находят по формуле:

При заданной массе или объеме всасываемого пара холодопроизводительность компрессора (Вт) определяется как где qv — удельная объемная холодопроизводительность хладагента, Дж/м3.

Поясним, что холодопроизводительность компрессора зависит не только от массы или объема всасываемых паров, но и от их параметров. Теоретической холодопроизводительностью 1 кг хладагента называют разность между энтальпиями хладагента жидкого перед дроссельным регулирующим вентилем и испарившегося в соответствии с теоретическим циклом.

Действительный процесс заметно отличается от теоретического и по степени его приближения к теоретическому судят о совершенстве конструкции и соответствии компрессора конкретной холодильной установке. Так, в теоретическом процессе всасывание и нагнетание происходят при постоянных давлениях, а цилиндр теоретического компрессора не имеет вредного пространства. В действительном рабочем процессе имеются объемные потери, снижающие холодопроизводительность компрессора, и энергетические потери, вызывающие дополнительный расход энергии на сжатие пара.

Индикаторная диаграмма рабочего процесса реального компрессора (рис. 1.14) существенно отличается от теоретической диаграммы из- Рис. 1.14. Действительный рабочий за наличия вредного пространства V0, сопротивления движению потока паров хладагента в трубопроводах и клапанах, разницы между давлениями всасывания в компрессор и кипения в испарителе, нагнетания из компрессора и конденсации в конденсаторе, потерь тепла и теплообмена во всех элементах холодильной машины.

Всасывание паров хладагента начинается при давлении меньшем, чем в испарителе. Объясняется это тем, что давление перед всасывающим клапаном компрессора Pвс ниже, чем давление кипения в испарителе P0, из-за потерь при движении хладагента по трубопроводу. Давление в самом цилиндре в начале всасывания P1 еще ниже из-за потерь при проходе через суженное сечение всасывающего клапана.

Весь дальнейший процесс всасывания (линия 1—2) в действительном рабочем процессе протекает при давлении меньшем, чем в испарителе, на величину P0.

По аналогичным причинам из-за сопротивлений в нагнетательном клапане и трубопроводе процесс нагнетания паров хладагента (линия 3—4) реализуется при давлении P2 в цилиндре, которое выше давления в нагнетательном трубопроводе и тем более давления в конденсаторе Pк (на величину Pк). В процессе сжатия 2—4 повышается давление и температура паров хладагента, а часть хода поршня (на участке 2—2') затрачивается на доведение давления в цилиндре доP0.

Фактическое уменьшение объема всасывания, вызванное потерями давления, изображено на диаграмме отрезком C2, величина которого возрастает с увеличением падения давления Р0. Процесс 2—3 представляет собой адиабатический процесс сжатия паров хладагента с различной степенью сухости. Рассмотрим подробнее потери, имеющиеся в реальных компрессорах.

Потери от вредного пространства связаны с невозможностью полного использования всего объема цилиндра компрессора. Расстояние между поршнем в крайнем верхнем положении и крышкой цилиндра является линейным вредным (мертвым) пространством, а объем между поршнем в этом положении и крышкой (включая щели к пластинам клапанов) представляет объемное вредное пространство V0. Линейный размер вредного пространства составляет 0,5—3 мм. Обычно вредное пространство выражают в процентах объема Vh, описываемого поршнем, т.е. С= (V0/Vh)·100. В современных компрессорах величина вредного пространства составляет 1,5—4,5 % от рабочего объема цилиндра.

Действительный процесс выталкивания паров хладагента из цилиндра компрессора заканчивается в точке 4, поэтому во вредном пространстве остается некоторое количество сжатых паров, имеющих давление Рк. Эта часть оставшихся паров при обратном ходе поршня расширяется (линия 4—1) до давления в испарителе, и только тогда начнется всасывание новой порции пара из испарителя.

Поскольку при этом теряется часть полезного объема цилиндра (отрезок C1), объем всасываемого пара составит V1=Vh – C1.

Коэффициент, характеризующий уменьшение подачи компрессора вследствие расширения хладагента из вредного пространства, называют объемным коэффициентом С=V2/Vh.

Если остающийся во вредном пространстве цилиндра пар влажный, то процесс всасывания начинается позже, чем при сухом паре, так как больше частиц его жидкости испаряется в цилиндре.

При сухом паре процесс всасывания начинается раньше, а линия 4—1 расширения паров идет более отвесно.

Чем больше вредное пространство, тем значительнее объемные потери в компрессоре. Эти потери возрастают и с увеличением соотношения давлений нагнетания и всасывания Рк/Р0, так как в этом случае увеличивается масса остающихся в мертвом пространстве паров.

Потери при всасывании и нагнетании связаны с изменениями давления паров при проходе через клапаны и трубопроводы. Клапаны реального компрессора открываются под действием разности давлений паров хладагента в цилиндре и трубопроводах холодильной машины. Падение давления при движении хладагента по трубопроводам и через суженные проходные сечения клапанов вызывает изменение давлений всасывания и нагнетания.

Понижение давления при всасывании приводит к увеличению удельного объема и уменьшению массы пара, поступающего в цилиндр компрессора. Повышение давления при нагнетании вызывает дополнительные затраты энергии на сжатие паров в компрессоре и увеличение потерь оставшимся во вредном пространстве паром. Потери давления при всасывании Р0 у современных компрессоров составляют 0,01—0,04 МПа, при нагнетании Рк — до 0,05—0,08 МПа. Эти потери увеличивают соотношение Рк/Р0, а следовательно, и объемные потери в компрессоре.

Коэффициент, характеризующий уменьшение холодопроизводительности компрессора вследствие потерь давления хладагента во всасывающем трубопроводе и клапанах, называют коэффициентом дросселирования: др= V1/V2.

Объемные потери от вредного пространства C1 и сопротивлений в клапанах С2 видны на индикаторной диаграмме. Их учитывают индикаторным коэффициентом подачи:

Снизить потери от дросселирования можно применением специальной конструкции всасывающего тракта компрессора, обеспечивающей резонансный (пульсирующий) или инерционный наддув.

Потери от теплообмена возникают в реальных компрессорах вследствие циклического изменения температуры паров хладагента в цилиндре. Нагревающиеся при сжатии пары отдают стенкам цилиндра часть тепла, которое отводится затем во внешнюю охлаждающую среду. Напротив, при всасывании пары хладагента нагреваются во всасывающем канале (главным образом от стенок цилиндра), что приводит к увеличению их удельного объема и уменьшению массы всасываемого хладагента. Коэффициент, характеризующий уменьшение подачи компрессора вследствие повышения температуры хладагента из-за теплообмена в цилиндре, называют коэффициентом подогрева п, определяемым обычно опытным путем.

Для уменьшения подогрева паров от стенок цилиндра интенсифицируют его охлаждение или увеличивают частоту вращения коленчатого вала компрессора. Потери от подогрева уменьшаются при всасывании перегретых паров хладагента и увеличиваются при всасывании влажных паров, так как в последнем случае испаряющиеся при подогреве капельки жидкости занимают значительную часть полезного объема цилиндра. Необходимый перегрев паров зависит от свойств хладагента и конструкции компрессора. Для аммиака рекомендуется перегрев на 5—20 °С, для хладона R12 — на 10 — 35 °С.

Потери от утечек хладагента происходят из-за наличия зазора между поршнем и цилиндром компрессора, а также неплотности клапанов. Уменьшение подачи компрессора из-за неплотностей элементов характеризуется коэффициентом плотности пл, который зависит от конструкции, быстроходности компрессора и степени износа рабочих поверхностей.

Коэффициент подачи компрессора выражается соотношением масс циркулирующего хладагента для действительного и теоретического компрессоров: = G/Gтeop. Коэффициент подачи можно представить и отношением действительного объема всасываемого пара V (при параметрах во всасывающем патрубке компрессора) к объему, описываемому поршнем Vh, т.е. к теоретическому объему всасывания: др= V/Vh. Тогда Коэффициент подачи выражают и как произведение всех объемных коэффициентов: = i п пл.

Коэффициент подачи дает общую оценку потерь в реальном компрессоре в зависимости от величины вредного пространства цилиндра, соотношения давлений конденсации и нагнетания хладагента, а также от температуры всасываемого пара, скорости движения и изношенности деталей поршневой группы и клапанов. Обычно этот коэффициент определяют опытным путем, обобщая данные в виде осредненных графических зависимостей (рис 1.15) На графике видно, как уменьшается значение с увеличением соотношения давлении Рк/Р0, называемого степенью сжатия к. Определяют коэффициент подачи и по эмпирическим формулам. Так для фреоновых компрессоров 2ФУ- Рис. 1.15. Коэффициент подачи компресУБС18 институт ВНИИХолод- соров: 1, 2, 4 — поршневых бескрейцкопмаш рекомендует формулу фных, работающих на фреоне- = 0,855 – 0,0425 Рк/Р0.

1.9. Холодопроизводительность компрессора Основной характеристикой холодильной установки является ее холодопроизводительность, которая определяется свойствами хладагента и значениями температур его конденсации tк и кипения t0, т.е. Q0 = f(tк, t0). С изменением температуры охлаждающего воздуха изменяется и температура кипения хладагента, а значит, и холодопроизводительность установки. Зависимость Q0 от tк и t0 определяется на основе выражения объемной холодопроизводительности компрессора:

где Vд — действительный объем всасываемого пара, м3/ч.

Это выражение дает теоретическое значение холодопроизводительности любого компрессора с известными геометрическими размерами цилиндров.

Объем, описываемый поршнями, зависит от размеров, числа цилиндров и частоты вращения коленчатого вала компрессора:

где D — диаметр цилиндра, м; s — ход поршня, м; п — частота вращения вала, об/мин; z — число цилиндров.

Холодопроизводительность компрессора должна соответствовать холодопроизводительности испарителя. В свою очередь количество тепла, которое холодильная машина отнимает от охлаждаемой среды в единицу времени, называется холодопроизводительностью машины. Она определяется количеством хладагента G, проходящего в единицу времени (кг/ч), и его удельной массовой холодопроизводительностью q0 (Дж/кг):

где q0 = i1 – i4 — разность энтальпий на границах процессов.

Установленный в вагоне компрессор работает в различных условиях эксплуатации, поэтому имеет разную холодопроизводительность и меняющиеся рабочие объемные и энергетические характеристики.

Основное влияние на холодопроизводительность и рабочие характеристики компрессора оказывает степень сжатия к. С увеличением степени сжатия резко возрастают объемные потери за счет увеличения количества пара, расширяющегося из вредного пространства цилиндра. При этом возрастает также температура сжимаемого пара и теплоотдача к стенкам цилиндра. Холодопроизводительность компрессора снижается и при всасывании им влажного пара.

Для одного и того же компрессора при неизменной частоте вращения коленчатого вала величина описываемого поршнем объема h постоянна. Однако объемная и массовая холодопроизводительность — соответственно qv и q0, а также коэффициент подачи в эксплуатации меняются. На них влияет температурный режим работы холодильной машины, т.е. температуры кипения t0, конденсации tк и температура жидкого хладагента перед регулирующим вентилем tи.

При разных температурах t0, tк и tи холодильная машина с одним и тем же компрессором и постоянной частотой вращения вала обеспечивает разную холодопроизводительность и имеет различную энергетическую эффективность. При повышении температуры t0 и понижении температур tк и tи холодопроизводительность машины увеличивается, при понижении t0 и повышении tк и tи — уменьшается. Наибольшее влияние на холодопроизводительность машины оказывает температура кипения хладагента На рис. 1.16, а отрезки 4—1, 4'—1', 4"—1" выражают холодопроизводительность q0. При снижении температуры кипения и постоянной температуре Рис. 1.16. Цикл холодильной машины при различных температурах кипения конденсации эти отрезки почти одинаковы (q0 q0 q0). Однако с понижением температуры кипения резко увеличивается удельный объем всасываемого компрессором пара 1 из-за понижения давления в испарителе и падает объемная холодопроизводительность. Понижение температуры кипения на °С приводит к снижению холодопроизводительности аммиачных машин на 6 %, фреоновых — на 4 %.

Объемная холодопроизводительность уменьшается также при повышении температуры конденсации. Из диаграммы (рис. 1.16, б), где отрезки 4—1, 4'—1, 4"—1 выражают холодопроизводительность, видно, что она уменьшается с повышением температуры конденсации (q0 > q0 > q0), тогда как удельный объем всасывания остается неизменным. Коэффициент подачи с повышением tк тоже уменьшается.

Такое же влияние на снижение холодопроизводительности компрессора оказывает и температура tи.

Зависимость холодопроизводительности компрессора Q0 от температур кипения и конденсации хладагента называется характеристикой холодильного агрегата. Такие характеристики для отдельных компрессоров приведены на рис. 1.17, 1.19.

Снижение температуры кипения в холодильных машинах одноступенчатого сжатия сопровождается повышением давления, т.е. удельной работы сжатия, и одновременно снижением массовой производительности. В результате возрастает тепловая напряженность компрессора и электродвигателя, если он встроен в компрессор. Несмотря на увеличение отвода тепла в окружающую среду от циркулирующего хладагента, повышается температура паров в компрессоре, перегреваются смазочное масло, ухудшаются условия охлаждения встроенного двигателя Наибольшие трудности связаны с чрезмерным нагревом масла и ухудшением его смазывающих свойств. Это заставляет применять специальРис. 1.17. Зависимость холодопроизводительности ком- ное принудительное охлаждение компрессопрессора типа V от темпера- ров или подбирать хладагент с более низкой туры кипения хладона R12 температурой в конце сжатия.

компрессоры и машины можно только при одинаковых температурных условиях (температурах кипения, конденсации, всасывания и переохлаждения перед регулирующим вентилем). Для сравнительной оценки холодопроизводительности машин установлены определенные температурные условия их работы, характеризующие номинальную холодопроизводительность. В России приняты следующие температурные режимы номинальной холодопроизводительности компрессионных машин одноступенчатого сжатия (табл.1.4).

Стандартный для аммиачных машин Стандартный для фреоновых машин Низкотемпературный для фреоновых машин Соотношение давлений конденсации и испарения Pн/P0 при стандартных температурах составляет для хладона R12 — 4,07, для аммиака — 4,94.

Характеристики комплектных холодильных агрегатов в отличие от компрессоров часто указывают в зависимости от температуры окружающего воздуха, а не от температуры конденсации хладагента. Холодопроизводительность, подсчитанную при стандартных температурах, называют стандартной холодопроизводительностью Q0 cт.

В процессе эксплуатации холодильные установки вагонов работают в условиях непрерывного изменения наружной температуры.

Естественно, при этом меняются температуры конденсации хладагента в конденсаторе, охлаждаемой атмосферным воздухом, и холодопроизводительность машины. Температура кипения поддерживается такой, какая требуется для перевозимого груза. Холодопроизводительность машины, рассчитанную при рабочих условиях, называют рабочей холодопроизводительностью Q0 раб.

Холодопроизводительность при рабочих и стандартных условиях определяют по формулам:

где раб, ст — коэффициенты подачи компрессора соответственно при рабочих и стандартных температурах хладагента;

qv раб, qv ст — объемные холодопроизводительности при таких же условиях. Зависимость между рабочей и стандартной холодопроизводительностью выражается уравнениями:

По этим формулам пересчитывают холодопроизводительность машины с одних температурных условий на любые другие.

Значения коэффициентов подачи и индикаторного КПД i в зависимости от Pк/Pо для ориентировочных расчетов принимают по рис. 1.18, 1.15.

Для серийно выпускаемых холодильных машин пользуются технической документацией и каталогами, Рис. 1.18. Индикаторный КПД. i этом случае учтены и дополнителькомпрессоров: 1 — работающих ные потери холода, имеющиеся в рена хладоне R12; 2 — средних амальной машине (теплопритоки через миачных; 3 — крупных аммиачтрубопроводы, от вспомогательных ных (с водяным охлаждением) Рис. 1.19. Зависимость холодопроизводиДля установок непостельности и электрической мощности компредственного охлаждения рессоров 2ФУУБС18 и 2ФУУБС18П от температуры кипения и конденсации хладона 1.10. Мощность компрессора и энергетические Теоретический рабочий процесс в цилиндрах поршневого компрессора происходит без потерь и теплообмена при постоянстве давления всасывания в конце сжатия. В реальных машинах имеются вредное пространство и разнообразные потери, что приводит к значительно большей затрате энергии на сжатие хладагента по сравнению с теоретическим процессом.

В теоретическом процессе сжатие паров хладагента совершается адиабатически, при этом затрачивается мощность (кВт) где Gт — теоретическое количество циркулирующего хладагента (в первой формуле в кг/с, во второй в кг/ч); i1 и i2 — энтальпии паров хладагента в начале и конце сжатия, кДж/кг.

Действительная (индикаторная) мощность, затрачиваемая компрессором, больше, чем теоретическая. Обычно определяют ее по индикаторной диаграмме, вычерченной специальным прибором — индикатором. Площадь индикаторной диаграммы (рис. 1.20) характеризует в определенном масштабе мощность за один оборот коленчатого вала компрессора и определяется произведением хода поршня S (м) на среднее индикаторное давление Рi (Н/м2):