Презентация "Циклы холодильных машин" по физике – проект, доклад

Глава № 9. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Холодильными машинами или термокомпрессорами называются машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды. Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша. В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента используется атмосферный воздух. Эти установки не получили широкого распространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конструкции. В паровых (парокомпрессорных) холодильных установках рабочим телом являются пары различных веществ – аммиака NН3, углекислоты СО2, сернистого ангидрида SO2, фреонов (фторохлорпроизводых углеводородов). Ввиду простоты конструкции (по сравнению с воздушными), высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике. В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для получения низких температур затрачивается не механическая работа (как в паровых или газовых), а теплота какого либо рабочего тела с высокой температурой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества.

Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности применяются редко. Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные машины, в которых для получения низких температур используется (как и в пароэжекторных) энергия в виде теплоты. Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более надежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение. Холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффектов Пелътье и Ранка-Хильша, максимально просты по конструкции – не имеют движущихся деталей. Однако они пока не получили широкого распространения из-за низких значений холодильного коэффициента. Холодильные машины работают по обратному циклу, то есть циклу, изображенному в тепловых диаграммах (pv, Ts, is) в направлении против направления часовой стрелки. Наивыгоднейшим циклом холодильной машины, осуществляемым между двумя источниками тепла с температурами Т1 и T2, будет обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Рассмотрим процессы цикла: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела (хладоагента); 2-3 – изотермическое сжатие с отводом теплоты q1 в окружающую среду; 3-4 – адиабатное расширение; 4-1 – изотермическое расширение с подводом теплоты q2 к хладоагенту от охлаждаемого в холодильнике тела. В качестве характеристики термодинамической эффективности холодильного цикла принята величина , где l – затрачиваемая механическая работа, равная площади 1-2-3-4-1. Величина e называется холодильным коэффициентом или коэффициентом холодопроизводительности.

Величина e называется холодильным коэффициентом или коэффициентом холодопроизводительности. Для обратного цикла Карно .(12.1) Холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемыми в том же интервале температур теплоисточников. Из формулы для eк видно, что с увеличением температуры T1 и с уменьшением температуры Т2 коэффициент холодопроизводительности уменьшается и при Т2 → 0 eк → 0.

9.1. ЦИКЛ ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Схема воздушной холодильной установки представлена на рис. 9.2. Рис. 9.2. Принцип ее действия заключается в следующем. В компрессоре 1 воздух сжимается до давления р2 и нагнетается в теплообменник (охладитель) 2, где от него отводится часть теплоты в количестве q1, полученной в результате сжатия. Затем сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр или детандер 3, где расширяется до начального давления. При расширении температура воздуха понижается до -(60–70)°С. Холодный воздух направляется в теплообменник (охлаждаемое помещение) 4, где к нему подводится теплота в количестве q2.

На рис. 9.3 и 9.4 представлены диаграммы идеального цикла воздушной холодильной установки в Ts– и pv – координатах. Рассмотрим процессы цикла. Рис. 9.3. Рис. 9.4. 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 1 от давления р1 до давления р2; 2-3 – изобарный процесс отвода теплоты q1 внешнему источнику, сопровождающийся понижением температуры рабочего тела от T2 до Т3; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в детандере 3 с понижением температуры от T3 до T4; 4-1 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу в теплообменнике 4 с возрастанием его температуры от T4 до Т1. Работа, затраченная в цикле, будет . Отсюда .

Для адиабатных процессов 1-2 и 3-4 можно записать . Так как p2 = р3, р1 = p4 ,то . Отсюда Формула для холодильного коэффициента в окончательном виде будет . Таким образом, холодильный коэффициент зависит только от отношения давлений p2/p1.

Цикл, изображенный на рис. 9.3 и 9.4, называется циклом Лоренца. Сравним его холодильный коэффициент с коэффициентом эквивалентного обратного обратимого цикла Карно, определяемым по формуле (9.1). Эта формула применительно к циклу Карно 1-5-3-6, изображенному на рис. 9.3, примет вид . Так как T3 e. Более низкий холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки объясняется необратимостью теплообмена в изобарных процессах отвода (2-3) и подвода (4-1) теплоты к рабочему телу, т.к. эти процессы протекают при конечной разности температур.

9.2. ЦИКЛ ПАРОВОЙ КОМПРЕССОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В парокомпрессорных холодильных установках в качестве рабочего тела используются низкокипящие жидкости. Благодаря этому рабочий цикл можно расположить в двухфазной области, в которой изобарные процессы подвода и отвода теплоты можно заменить на изотермические и тем самым уменьшить потери, связанные с необратимостью процессов. Принципиальная схема установки представлена на рис. 9.5, а диаграмма цикла в Ts– координатах – на рис. 9.6. Установка работает следующим образом. В компрессоре 1 происходит адиабатное сжатие пара (процесс 1-2). В конденсаторе 2 холодильный агент вначале охлаждается (процесс2-2') при постоянном давлении и затем конденсируется (процесс 2'-3) с отдачей в окружающую среду теплоты q1. В дроссельном вентиле 3 происходит процесс дросселирования (процесс 3-5) с превращением жидкости во влажный пар. В испарителе 4 влажный пар принимает теплоту q2, и содержащаяся в нем жидкость испаряется (процесс 5-1).

Рис. 9.5. Рис. 9.6. Процесс дросселирования в дроссельном вентиле является необратимым процессом и на диаграмме он изображается условной кривой 3-5. Если вместо дроссельного вентиля применять детандер (расширительный цилиндр), то процесс протекал бы по линии 3-4. Таким образом, замена расширительного цилиндра дроссельным вентилем вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, измеряемую площадью фигуры s4-4-5-s5 и вызванную возрастанием энтропии рабочего тела. Следовательно, применение дроссельного вентиля приводит к уменьшению количества теплоты q2, получаемой от охлаждаемых тел. Положительными сторонами применения дроссельного вентиля является возможность легко регулировать давление пара, а также максимальная простота конструкции.

9.3. ЦИКЛ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ АБСОРБЦИОННОГО ТИПА

Абсорбционные холодильные установки существенно отличаются от всех других простотой конструкции. Холодильный эффект в них получается не за счет затраты энергии в форме механической работы, а за счет энергии в форме теплоты. Для абсорбционной установки подбираются две жидкости, которые полностью растворяются друг в друге и имеют разные температуры кипения. Процесс поглощения всей массы одного тела другим называется абсорбцией. При этом легкокипящая жидкость используется как холодильный агент, а жидкость с более высокой температурой кипения – как абсорбент. Принципиальная схема установки представлена на рис. 9.7. Рассмотрим ее работу. В парогенераторе 1 в результате подвода теплоты q1 холодильный агент выпаривается из абсорбента в виде почти сухого насыщенного пара. В конденсаторе 2 он полностью конденсируется, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. В дроссельном вентиле 3 холодильный агент дросселируется, что сопровождается уменьшением давления и температуры и увеличением объема. В теплообменнике 4 происходит передача холодильному агенту теплоты q2 от охлаждаемых тел. В абсорбере 5 происходит соединение холодильного агента с абсорбентом, поступающим через дросселирующий вентиль 7. Полученная смесь насосом 6 направляется в парогенератор 1.

Рис. 9.7. Холодильный коэффициент абсорбционной установки определяется по формуле . Абсорбционные холодильные установки получили широкое распространение ввиду того, что они просты, надежны и дешевы в изготовлении. Следует однако отметить, что термодинамически они менее совершенны, чем паровые.

9.4. ЦИКЛ ПАРОЭЖЕКТОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема пароэжекторной холодильной установки представлена на рис. 9.8. Из испарителя 1 пар холодильного агента поступает в камеру смешения эжектора 2. Сюда же одновременно подается пар из котла 6. Полученная в камере смешения смесь пара сжимается в диффузоре эжектора. Поступая в конденсатор 3, пар конденсируется с отдачей теплоты парообразования. После конденсатора часть жидкости дросселируется в дроссельном вентиле 4, где происходит падение давления и температуры. Другая ее часть с помощью питательного насоса 5 направляется в котел 6, где она вновь с помощью подведенной извне теплоты q1 превращается в пар. Холодильный коэффициент в данном случае определяется по формуле , где q2 – удельное количество теплоты, подведенное к рабочему телу в испарителе; q1 – удельное количество теплоты, подводимое к рабочему телу в котле.

Рис. 9.8. Пароэжекторные холодильные установки отличаются простотой конструкции, надежностью в работе и малыми габаритами. Однако они имеют низкую тепловую экономичность и термодинамически менее совершенны, чем парокомпрессорные холодильные установки.

9.5. ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Тепловыми насосами называются устройства, с помощью которых теплота, забираемая от источника с низкой температурой посредством затраченной извне работы, отдается потребителю при более высокой температуре. Работа теплового насоса в принципе не отличается от работы холодильной установки. Принципиальная схема теплового насоса представлена на рис. 9.9. Его работа происходит следующим образом. В компрессоре 1 происходит сжатие холодильного агента с повышением его температуры. В конденсаторе 2 происходит конденсация парообразного рабочего тела. Выделяющаяся при этом теплота q1 передается жидкости, циркулирующей в отопительной системе. В дроссельном вентиле 3 конденсат рабочего тела дросселируется с понижением его давления и температуры. В испарителе 4 температура хладоагента повышается за счет подвода удельного количества теплоты q2.

Рис. 9.9. Эффективность работы теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом z, который определяется по формуле , где q1 – удельное количество теплоты, отданное рабочим телом потребителю в конденсаторе 2; q2 – удельное количество теплоты, принятой рабочим телом в испарителе 4; l – удельное количество работы, затраченной на привод компрессора.

При использовании в качестве холодильного агента паров жидкости, кипящей при низких температурах (аммиак, углекислота, фреоны и др.), цикл теплового насоса не отличается от цикла парокомпрессионной холодильной установки, изображенного на рис. 9.6. Из рассмотрения этого цикла следует, что . Так как энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не изменяется, то . Тогда . Отсюда . Холодильный коэффициент в случае, если бы тепловой насос работал по обратному обратимому циклу Карно, был бы равен .

Например, при отоплении здания зимой при температуре низшего источника (речная вода) Т1 =280 К и температуре рабочего тела в отопительной системе T2=360 К z = 360/(360 – 280) = 4,5. Следовательно, тепловой насос передает в отопительную систему количество теплоты в 4,5 раза большее, чем количество затрачиваемой в компрессоре работы. Таким образом, при указанных значениях Т1 и T2 тепловой насос теоретически мог бы передать потребителю количество теплоты в 4,5 раза большее, чем при обычном электрообогреве при той же затраченной электроэнергии.