Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

между пограничными кривыми — влажный насыщенный пар; справа от верхней пограничной кривой х = 1 — перегретый пар. В области влажного насыщенного пара линии постоянных тем­ ператур и давлений совпадают.

Газ по линии 1—2 адиабатически сжимается, а затем по ли­ нии 2—3 изотермически конденсируется, отдавая часть тепла Q

Количество тепла Q0, отводимое хладагентом от охлаждаемой среды, называется холодопроизводительностью установки. Удель­ ной холодопроизводительностью q0 называется количество тепла, отводимое 1 кг хладагента, причем Q o = G q 0 , где G — количество хладагента, циркулирующего в установке (в кг/с).

Эффективность работы холодильной установки характеризу­ ется холодильным коэффициентом е, представляющим собой от­ ношение холодопроизводительности к затраченной работе, т. е.

Холодильный коэффициент холодильной машины обычно больше единицы (его не следует путать с к. п. д. установки) и изменяется в широких пределах в зависимости от температур Т к

194

и То- Из уравнения (248) следует, что холодильный коэффициент машины, осуществляющей обратный цикл Карно, не зависит от природы рабочего тела, а определяется только температурами охлаждаемой и охлаждающей сред. Холодильный коэффициент будет тем выше, чем ниже температура охлаждающей среды (воды, воздуха) и выше температура охлаждаемой среды.

Выразив затраченную работу из уравнения (246) и подста­ вив значение е из уравнения (248), получим

Qo Qo (Гк то)

(249)

Следовательно, затрата работы па совершение цикла тем меньше, чем ниже температура охлаждающей среды п выше тем­ пература охлаждаемой среды.

3. ПАРОВЫЕ КОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

а) Циклы компрессионных холодильных машин

Если цикл дЛя хладагента, изображенный на рис. 98, пере­ нести в область влажного пара, то получим цикл паровой холо­ дильной компрессионной машины, работающей с «влажным хо­ дом» компрессора и с расширительным цилиндром. Схема ма­ шины и ее цикл в координатах Т—S показаны на рис. 99.

Рис. 99. Схема компрессионной холодильной машины и ее цикл в координатах Т—S.

Паровая холодильная машина состоит из четырех основных элементов, составляющих замкнутую систему для рабочего тела: компрессора А, конденсатора В, расширителя С и испарителя D. Компрессор А засасывает влажные пары состояния 1 из испа­ рителя D и, сжав до состояния 2 (от давления р0 до р), нагнетает их в конденсатор В. В конденсаторе пары сжижаются при посто­ янном давлении р и постоянной температуре Т, так как в обла­ сти влажного пара изотермы и изобары совпадают. Сжижение паров в конденсаторе достигается при помощи охлаждающей во­ ды, конечная температура которой /в.к должна быть ниже темпе­ ратуры конденсации хладагента при данном давлении р.

Сжиженный хладоноситель состояния 3 далее поступает в

расширительный цилиндр С, где он производит работу адиаба­ тического расширения до состояния 4. При этом давление хлад­ агента падает от р до ро, а температура снижается до То; в ре­ зультате этого часть жидкости испаряется и поэтому точка 4 со­ стояния рабочего тела отходит вправо от пограничной линии

жидкости х=0.

В состоянии 4 хладагент поступает в испаритель D\ здесь он испаряется при постоянном давлении ро за счет тепла Qо, под­ водимого от охлаждаемой среды. При этом конечная температу­ ра охлаждаемой среды 1с.к должна быть выше температуры ки­ пения хладагента Т0, соответствующей давлению Ро-

Таким образом, пользуясь холодильными агентами для ра­ боты в области влажного пара, можно осуществить цикл, внеш­ не совпадающий с циклом Карно вследствие совпадения изотерм

и изобар влажного пара.

Рассмотренный теоретический обратный цикл Карно наибо­ лее выгоден, однако на практике экономичнее действительный цикл холодильной машины, отличающийся от теоретического в следующем:

а) расширительный цилиндр заменяется регулирующим (дросселирующим) вентилем;

б) жидкий холодильный агент переохлаждается; в) влажный ход компрессора заменяется сухим ходом.

Рассмотрим, чем вызваны эти изменения и как они отража­ ются на работе холодильных машин.

а) Замена расширительного цилиндра регулирующим вен­ тилем вызвана трудностью конструктивного выполнения цилинд­ ра, так как холодильный агент поступает в него в виде жидко­ сти, объем которой очень мал. Кроме того, регулирующим вентилем проще и удобнее регулировать подачу жидкости в ис­ паритель. В регулирующем вентиле жидкость и дросселируется, т. е. ее давление и температура понижаются. Это происходит без затраты работы и при отсутствии теплообмена с внешней средой. Адиабатический процесс расширения 3—4' (рис. 100) заменяется процессом дросселирования, протекающим по кривой постоян­ ной энтальпии 3—4\ при этом увеличивается затрачиваемая ра­ бота (так как теряется работа Lv, получаемая в расширительном цилиндре) и уменьшается холодопроизводительность цикла.

L — Ьсж Lp = Ьсж — 0 = Ьсж,

т. е. затрачиваемая для совершения цикла работа, равна рабо­ те, необходимой для сжатия холодильного агента.

Работа, получаемая в расширительном цилиндре, мала и большая часть ее поглощается механическими потерями, по­ этому потеря этой работы не имеет существенного значения.

Уменьшение холодопроизводительности цикла объясняется образованием пара в регулирующем вентиле. При проходе жид­ кого холодильного агента через регулирующий вентиль вслед­

196

ствие понижения температуры от температуры конденсации Тн до температуры кипения Т 0 выделяется QP.B тепла (в Дж/кг)

Qp.B ~ с {ТК Т0),

где с— теплоемкость холодильного агента, Дж/(кг-К).

Процесс дросселирования совершается без теплообмена с окружающей средой, поэтому выделившееся тепло вызывает па­ рообразование; величина его зависит от свойств холодильного агента и разности температур до и после регулирующего венти-

г

Рис. 100. Цикл паровой компрессионной машины.

а — с регулирующим вентилем, 6 — с переохлаждением жид­ кого хладагента и всасыванием сухого насыщенного пара.

ля. Парообразование возрастает, если выделение тепла в регу­ лирующем вентиле увеличивается, т. е. чем выше разность

ТК~ Т 0.

В результате парообразования в регулирующем вентиле в ис­ паритель будет поступать жидкость вместе с паром. Например, если из -конденсатора к регулирующему вентилю поступает 1 кг

жидкости и х (в кг) пара. Так как холод создается только при кипении жидкости, то холодопроизводительность каждого кило­ грамма холодильного агента будет снижаться.

При установке регулирующего вентиля холодопроизводитель­ ность холодильного агента выразится площадью Ь'—4'—1—а, а уменьшение ее — площадью Ь'—4'—4—Ь. На величину этой площади увеличивается затрачиваемая работа L = Q—<30= пл.

(а—2—3—Ь) — пл. (Ь'—4 '~ 1 ~ а ) = пл. 1—2—3—Ь—Ь'—4'.

б). Жидкий холодильный агент переохлаждается для умень­ шения потерь при дросселировании, т. е. увеличения холодопроизводительности цикла. Холодильный агент после конденсации продолжает охлаждаться в переохладителе до температуры не* сколько ниже температуры конденсации хладагента; незначи­ тельное переохлаждение холодильного агента может быть полу­ чено и в конденсаторе.

197

Переохлаждение жидкого хладагента вызывает увеличение его холодопроизводительности. Действительно, при понижении температуры жидкого хладагента разность температур до и пос­ ле регулирующего вентиля снижается; при этом парообразова­ ние уменьшается и, следовательно, увеличивается холодопроизводительность. В Т—5-диаграмме (рис. 100, б) процесс пере­ охлаждения 3—3' протекает по нижней пограничной кривой, а процесс в регулирующем вентиле — по кривой постоянной эн­ тальпии 3'—4". Увеличение холодопроизводительности выразит­ ся при этом площадью Ь'—4'—4"— Ь".

в). В холодильной машине, осуществляющей обратный цикл Карно, компрессор всасывает влажный насыщенный пар и сжи­ мает его в области насыщения; в конце сжатия получается сухой насыщенный пар, т. е. компрессор работает влажным ходом.

В холодильном цикле паровой компрессионной машины комп­ рессор работает сухим ходом, при котором он всасывает сухой насыщенный или слегка перегретый пар, а в конце адиабатиче­ ского сжатия получается перегретый пар. В Т—S-диаграмме (рис. 100, 6) показан процесс сжатия в компрессоре 1 ' — 2' при засасывании им сухого насыщенного пара (точка 1 ' ) . При этом холодопроизводительность увеличивается на величину площади а—1 —Г —а', но одновременно возрастает и затрачиваемая ра­ бота на величину площади 1 ' — 2 ' — 2—1. Для большинства хлад­ агентов затрачиваемая работа увеличивается больше, чем холо­ допроизводительность, поэтому теоретически сухой ход невыго­ ден. Практически же вследствие теплообмена между паром, засасываемым компрессором, и стенками цилиндра сухой ход выгоднее влажного, так как при нем увеличивается холодопро­ изводительность машины. Сухой ход, кроме того, обеспечивает более безопасную работу компрессора, так как при попадании в него жидкого хладагента возможны гидравлические удары и связанные с этим аварии. Следовательно, замена влажного хода сухим увеличивает производительность компрессора и предот­ вращает гидравлические удары.

Сухой ход компрессора обеспечивается с помощью отделите­ ля жидкости или специального теплообменника. В современных

холодильных машинах компрессор засасывает не сухой, а пере­ гретый пар.

ВТ — S-диаграмме (рис. 101) изображен цикл паровой комп­ рессионной машины с учетом всех указанных отклонений от цикла Карно при засасывании компрессором перегретого пара.

Визотермическом процессе 4—1 при кипении холодильного агента в испарителе при температуре Т0 и давлении р0 происхо­ дит отнятие тепла Qo о т охлаждаемой среды. Образовавшийся сухой насыщенный пар в процессе 1 —1 ' перегревается от темпе­ ратуры Т0 до Тq при том же давлении р0. Перегретый пар заса­

сывается компрессором и в процессе 1 ' —2 адиабатически сжи­ мается до давления рк. На этот процесс затрачивается работа L.

198

В результате сжатия получается перегретый пар, температура

• которого соответствует точке 2. В процессе 2—3 происходит от­ вод тепла Q при постоянном давлении рк в конденсаторе; 2—2'—

диаграмме по разности энтальпий в начале и в конце процесса. При этом значения Q0, Q и L (в Дж/кг) находят по формулам:

Qo — h — h>

Q ~ i 2— h;

L = i2 - ii .

б) Характеристика холодильных агентов

Впоршневых холодильных машинах в качестве хладагентов (рабочих тел) применяются в основном аммиак и фреоны, обла­

дающие необходимыми термодинамическими, физико-химически­ ми и физиологическими свойствами. Наиболее важными термо­ динамическими свойствами хладагентов являются давление в испарителе и конденсаторе и их объемная и массовая холодопроизводительность.

Давление пара хладагента в испарителе должно быть выше атмосферного, чтобы предотвратить проникновение в него атмо­ сферного воздуха, способного нарушить нормальную работу ма­ шины. В связи с этим хладагент должен иметь низкую темпера­ туру кипения при атмосферном давлении. Чем ниже будет эта температура, тем при более низкой температуре будет работать испаритель.

Давление в конденсаторе при обычных температурах охлаж­ дающей воды должно быть относительно невысоким, благодаря

199