10.1. Цикл воздушной холодильной установки

В качестве рабочего тела в холодильных установках можно использовать обычный воздух. При адиабатном расширении воздуха от температуры внешней среды Т_ОС можно получить температуру воздуха - 60 °С. Этот принцип, получения рабочего тела с низкой температурой, применяется в воздушной холодильной установке (ВХУ). Схема ВХУ и ее идеальный цикл в T,s- диаграмме представлены на рис. 10.2 и 10.3.

Воздух с температурой Т_ХТ, необходимой для охлаждаемого тела (эскимо на камере охлаждения рис. 10.2), поступает в компрессор и адиабатно сжимается до температуры Т₂, большей температуры окружающей среды (процесс 12).

Из компрессора воздух поступает в охладитель, где он изобарно охлаждается до температуры окружающей среды Т_ОС (процесс 23), предавая теплоту q₁ во внешнюю среду. Из охладителя воздух поступает в воздушную турбину – детандер. В детандере воздух расширяется до первоначального давления Р₁ (процесс 34), в результате чего его температура становится ниже температуры холодного тела (Т₄<Т_ХТ) и создаются условия для отвода теплоты от охлаждаемого тела. Детандер, реализуя процесс адиабатного расширения воздуха, частично компенсирует затраты работы на привод компрессора. Из детандера воздух поступает в холодильную камеру, где он изобарно нагревается (процесс 41) за счет отвода теплоты от охлаждаемого тела (эскимо на рис. 10.2).

Анализ тепловой экономичности обратимого цикла ВХУ

Удельная работа компрессора ВХУ определяется выражением

(10.1)

Теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как

(10.2)

Удельная работа детандера определяется выражением

(10.3)

Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается как

(10.4)

Удельная работа, затраченная на реализацию обратимого цикла ВХУ, определяется выражением

(10.5)

Холодильный коэффициент ВХУ соответствует выражению

(10.6)

В уравнении 10.6 выполняется равенство отношения температур Используя это равенство и введя величину степени повышения давления воздуха в компрессоре преобразуем уравнение 10.6 к виду

(10.7)

Из уравнения 10.7 видно, что чем меньше степень сжатия в компрессоре, тем больше холодильный коэффициент. Однако величина ν имеет ограничение по минимальному значению Р_2min при температуре Т₂=Т_ОС (рис. 10.4).

При Р_2min будет наибольшее значение холодильного коэффициента, которое равно холодильному коэффициенту цикла Карно
однако, величина q₂ будет равна нулю. Такое противоречие в показателе экономичности ВХУ потребовало введения дополнительной величины, характеризующей эффективность установки. В качестве такой величины используется холодопроизводительность установки

(10.8)

Зависимость изменения холодильного коэффициента ε_t и удельной холодопроизводительности q₂ от степени сжатия воздуха в компрессоре ν для идеального цикла ВХУ показана на рис. 10.5.

Из графика видно, что с увеличением ν холодильный коэффициент уменьшается, а холодопроизводительность ВХУ увеличивается. Следовательно, величина ν_ОПТ должна выбираться с учетом максимальных значений ε_t и q₂, что термодинамическим методом сделать нельзя, для такой оптимизации требуется технико-экономический расчет.

Анализ тепловой экономичности реального цикла ВХУ

Необратимость в реальном цикле ВХУ (рис.10.6) характеризуется адиабатным коэффициентом компрессора

(10.9)

(10.10)

Удельная работа компрессора ВХУ определяется выражением

(10.11)

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

(10.12)

Удельная работа детандера определяется выражением

(10.13)

Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается как

(10.14)

Удельная работа, затраченная на реализацию обратимого цикла ВХУ, определяется выражением

(10.15)

Холодильный коэффициент необратимого цикла ВХУ соответствует выражению

(10.16)

Из рис.10.6 следует, что минимальное значение давления Р_2min для реального цикла ВХУ больше, чем у идеального цикла, а холодильный коэффициент и холодопроизводительность установки при этом давлении равны нулю.

Зависимость изменения холодильного коэффициента ε_i и удельной холодопроизводительности q_2i от степени сжатия воздуха в компрессоре ν_i для реального цикла ВХУ показана на рис. 10.7.

Из графика видно, что холодильный коэффициент и холодопроизводительность реальной ВХУ имеют экстремумы в виде максимумов при различных значениях ν_i. Следовательно, оптимальное значение степени повышения давления воздуха в компрессоре будет находится между этими максимумами, но точное нахождение его значения лежит в области технико-экономических расчетов.

Основным недостатком ВХУ является ее громоздкость, вызванная большим расходом рабочего тела (у воздуха относительно низкая теплоемкость и теплопроводность). Избежать этих недостатков можно подбором других рабочих тел для холодильной установки.