Файл: Шемаханов, М. М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы учебник.pdf

Рассмотрим различные термодинамические холодильные циклы, с помощью которых создается температура более низкая, чем тем­ пература окружающей среды.

На рис. 88 показана диаграмма Т—s обратного кругового цикла Карно. В изотермическом процессе расширения 4—1 тепло (пл. 1—1'—4'—4), отнимаемое от источника тепло с низкой темпера­

+ пл. 1 — 2 — 3 — 4 = пл. Г — 2 — 3 —■4'.

Затраченная работа в цикле Aw = пл. 1—2—3—4, a q2 является холодопроизводительностью цикла.

Эффективность холодильного цикла, как указывалось ранее, определяется холодильным коэффициентом

g = _Д_ &-- л ’

Aw

характеризующим отношение холодопроизводительности q2 к за­ траченной работе. Очевидно, чем он выше, тем экономичнее холо­ дильный цикл. Холодильный коэффициент, в отличие от терми­ ческого к. п. д. гц, может и должен быть значительно больше единицы.

Для цикла Карно

Для идеального цикла Карно холодильный коэффициент, как это следует из выражения (192), не зависит от физических свойств рабочего тела и определяется лишь значениями температур 7ф и Т2. Чем выше Т2 и ниже Ti, тем больше е. Обычно Т2 опреде­ ляется температурой охлаждаемого тела, а Т\— температурой

165

окружающей среды (воды, воздуха). В холодильных циклах рабо­ чее тело, с помощью которого проводится холодильный процесс, называется холодильным агентом. Количество тепла, отнимаемого единицей количества холодильного агента от охлаждаемого тела, называется удельной весовой холодопроизводительностью <72 (ккал/кгс). Количество тепла, отнимаемого за 1 ч, представляет собой холодопроизводительность Q2 (ккал/ч).

Применяют также понятие объемной удельной холодопроизводительности qv, отнесенной к 1 м3 пароили газообразного холо­ дильного агента,

v

где v — удельный объем поступающего в компрессор холодильного агента.

Обратный цикл Карно теоретически является критерием оценки экономичности других холодильных циклов, получивших реальное осуществление в холодильных машинах.

Цикл газовой (воздушной) холодильной машины

Принципиальная схема воздушной холодильной машины пока­ зана на рис. 89 (ом. также рис. 29). В компрессор 1 из холодиль­ ной камеры 4 поступает при давлении pi и температуре Ti воздух.

После адиабатного сжатия в компрессоре до давления р2 и нагреве до температуры Т2 воздух проходит воздухоохладитель 2, где его температура при неизменном давлении р2 понижается до темпера­ туры Т\з, которая может быть доведена почти до температуры окружающей среды. Из воздухоохладителя воздух поступает в расширитель 3 (пневмодвигатель-детандер), в котором адиабатно расширяется до давления pi, а его температура понижается до Tt (становится ниже температуры окружающей среды). Воздух ста­

166

новится холодильным агентом и поступает в холодильную камеру,

167

Так как

( Тг \fc_i _ ( Т 3

то

откуда

ниже холодильного коэффициента для цикла Карно и холодильной паровой машины. Воздушная холодильная машина, изобретенная в 1845 г., уже в конце XIX в. из-за меньшей экономичности была вытеснена аммиачной и углекислотной холодильными машинами.

Воздух и другие газы имеют малую теплоемкость, что обуслов­ ливает их большие весовые расходы и значительные размеры ком­ прессора и расширителя. При работе на влажном воздухе с тем­ пературой ниже нуля в расширителе происходит снегообразование, ухудшающее работу установки.

Значительно большее применение имеет цикл паровой компрес­ сионной холодильной машины, для уяснения принципа действия которого следует познакомиться со свойствами холодильных аген­ тов, применяемых в этой машине.

Свойства холодильных агентов

Холодильные агенты — вещества, применяемые в холодильных установках для проведения обратного кругового процесса в соот­ ветствии со вторым законом термодинамики. Они делятся на три

168

группы: 1) с высокой температурой кипения (0</н< 60°С ); 2) с о средней температурой кипения (—50°<^Н< 0°С ) и 3) с низкой, температурой кипения (— 130°</н< —50°С).

К холодильным агентам, предъявляется ряд требований. Дав­ ление холодильного агента, поступающего в испаритель (при, наиболее низкой температуре в цикле) должно быть выше атмо­ сферного или близко к нему, так как при вакууме возможно заса­ сывание в систему воздуха, ухудшающего теплообмен между охлаждаемой средой и холодильным агентом в испарителе, т. е. ухудшается работа холодильной машины. Влажный воздух вноситводяные пары в холодильный агент, которые при низких темпера­ турах могут замерзнуть в трубках испарителя. Пары воды могут также попадать с воздухом в компрессор и образовывать с холо­ дильным агентом соединения, разъедающие металлические часта компрессора. При работе установки с давлением выше атмосфер­ ного утечку агента проще обнаружить по запаху, когда нарушается плотность соединения. Давление холодильного агента в конце сжатия не должно быть слишком высоким, так как это приводит- к усложнению и утяжелению конструкции машины, делает ее не­ безопасной и требует применения более плотных соединений воизбежание утечки холодильного агента.

Теплота парообразования г холодильного агента должна быть высокой, что позволяет уменьшить количество холодильногоагента для получения необходимой холодопроизводительности. Изприменяемых холодильных агентов наибольшую теплоту парообра­ зования имеет аммиак.

Размеры холодильной машины определяются отношением ,

ккал/м3, Чем больше это отношение, тем компактней холодильная-

машина. Наибольшее значение — имеет углекислота, что опре-

V

деляет небольшие размеры углекислотных машин. Желательно* иметь большую объемную холодопроизводительность холодильного агента, тогда благодаря малым объемам циркулирующего холо­ дильного агента уменьшаются размеры и вес компрессора.

Гидравлические потери в трубопроводах и клапанах зависят от удельного веса и вязкости холодильного агента, которые долж­ ны быть небольшими. Кроме того, при более низкой вязкости холо­ дильного агента улучшается теплообмен в конденсаторе и испари­ теле, благодаря чему сокращаются их поверхность и расход металла.

Растворение холодильных агентов в воде устраняет образова­ ние ледяных пробок и нарушение работы установки.

Холодильные агенты должны быть нейтральными к металлам: (даже в присутствии влаги) и прокладочным материалам, должныбыть негорючими и взрывобезопасными. Они должны обладать, запахом, цветом и другими свойствами, позволяющими обнаружить утечку.

!69