Znakem výše diskutovaných cyklů s regulačním ventilem a podchlazením kapalného chladiva je, že kompresor nasává vlhkou páru a stlačuje ji do stavu suché syté páry, tzn. “mokrý kompresor běží” Tento způsob provozu kompresoru je teoreticky výhodný, protože přibližuje proces chlazení ideálnímu Carnotovu cyklu (stroji).
V praktických podmínkách kompresor pracuje „nasucho“, tzn. nasává suchou sytou nebo přehřátou páru (chladivo). Pro zajištění chodu kompresoru nasucho je třeba do okruhu chladicího stroje přidat ještě jeden prvek, pomocné zařízení – odlučovač kapalin, do kterého vstupuje chladivo se stupněm suchosti stavu bodu 1 na schématu, kde v důsledku snížení rychlosti a změny směru pohybu se z výsledné dvojice oddělují kapičky kapaliny. Kapalina v tomto zařízení stéká dolů, odkud proudí zpět do výparníku. Zde dále vře při konstantní teplotě odpovídající tlaku, který odebírá teplo z chlazeného média v procesu 4-1.
Běh nasucho za skutečných podmínek procesu se ukazuje jako prakticky výhodný. Za prvé, čím vyšší je teplota páry nasávané kompresorem, tím méně intenzivní je výměna tepla mezi párou a stěnami válce, což snižuje chladicí výkon kompresoru a zvyšuje spotřebu energie na kompresi páry.
Proto v praktickém schématu cyklu chladicího stroje začíná komprese v bodě .
Za druhé, když kompresor běží nasucho, je vyloučena možnost hydraulického rázu ve válcích, když se do nich dostane chladivo.
V praktických podmínkách kompresor nasává páry chladiva přehřáté o 5. 15°C vyšší pro amoniak a o 20. 30°C vyšší pro freon-12.
Schéma a cyklus jednostupňového chladicího stroje na amoniak
Schematický diagram obsahuje pouze základní prvky stroje nezbytné k provedení jeho cyklu. Pomocné prvky (přístroje, armatury atd.), které mohou hrát roli při zajištění spolehlivého a bezpečného provozu stroje, nejsou na schématech zapojení obvykle znázorněny.
Bod 1 odpovídá stavu přehřáté páry nasávané kompresorem. Aby se zabránilo „mokrému chodu“, musí být pára v tomto místě přehřátá, tzn. mít teplotu o 5. 10 0 C vyšší než je teplota syté páry v bodě 1“.
Proces přehřívání páry 1”-1 může probíhat uvnitř výparníku, částečně v sacím potrubí a v sací dutině samotného kompresoru. Obvykle se při zvažování schémat zapojení a cyklů nebere v úvahu přehřátí v potrubí. Diagram ukazuje, že bod 1“ je umístěn „uvnitř“ výparníku.
Proces stlačování páry 1-2 se provádí v kompresoru. Pára se stlačuje tlakem varu P až do kondenzačního tlaku Pк. Tento proces je považován za izoentropický (s=konst), probíhá bez tření mezi molekulami a bez výměny tepla s okolím – zvláštní případ adiabatického procesu.
V bodě 2 je chladivo při tlaku P ve stavu vysoce přehřáté páryк. Pro dokončení kompresního procesu 1-2 je nutné vynaložit práci l v kJ/kg, kterou lze definovat jako rozdíl entalpií na konci a začátku procesu:
Pro provedení kondenzačního procesu je nutné nejprve snížit teplotu přehřáté páry na teplotu syté páry o tlaku Pк. Proces chlazení páry (snížení přehřívání) 2-2“ může probíhat v kondenzátoru a částečně ve výtlačném potrubí.
Proces kondenzace je 2”-3’, tzn. přeměna syté páry na nasycenou kapalinu probíhá při konstantním tlaku Pк a teplota tк a je doprovázena přenosem tepla do okolí ochlazujícího kondenzátor. Jedná se o latentní nebo specifické kondenzační teplo.
Po dokončení kondenzačního procesu lze za vhodných podmínek kapalné chladivo zde v kondenzátoru (proces 3′-3) podchlazovat z teploty nasycené kapaliny na nižší teplotu při stejném tlaku Pк.
Protože procesy 2-2“, 2“-3′ a 3′-3 probíhají v kondenzátoru, celkové měrné teplo qCD v kJ/kg, vypouštěné do kondenzátoru:
Podchlazené kapalné chladivo vstupuje do regulačního ventilu, kde se provádí škrticí proces 3-4. V tomto případě tlak klesne z Pк horní, a teplota klesá od t3 do t.
Během procesu škrcení se nevykonává žádná užitečná práce a energie ve formě tepla se přenáší do chladiva a vynakládá se na částečné odpaření kapaliny. Proto se při konstantní entalpii jeho entropie zvyšuje.
Proces varu 4-1” chladiva probíhá ve výparníku při konstantním tlaku P a teplota t a stejně jako kondenzační proces je izobarický i izotermický. Při procesech varu 4-1” a přehřívání 1”-1 se entalpie chladiva zvyšuje od i.4 do i1. Hodnota v kJ/kg se nazývá měrná hmotnostní chladicí kapacita stroje.
Měrné teplo odváděné do kondenzátoru se rovná součtu měrného hmotnostního chladicího výkonu stroje a podřízeného kompresoru:
Poslední rovnice odráží tepelnou bilanci chladicího stroje, odpovídající prvnímu zákonu termodynamiky.
Schéma a cyklus jednostupňového freonového chladicího stroje
Zvláštností freonových chladicích strojů oproti čpavkovým je možnost použití kompresorů s vestavěnými elektromotory (uzavřenými i bezucpávkovými), jakož i zařazením regeneračního výměníku tepla (RHE) do okruhu, což umožňuje zvýšit účinnost stroje.
Pára z výparníku je posílána do RTO, kde omývá spirálu, uvnitř které proudí kapalné chladivo z kondenzátoru. V důsledku výměny tepla se pára odebírající teplo z kapaliny přehřívá (proces 1и-1že) a kapalina uvnitř cívky je podchlazena (proces 3-4).
Pokud zanedbáme výměnu tepla s okolím, pak lze tepelnou bilanci RTO reprezentovat jako rovnost:
Vzhledem k přehřátí páry v RTO a určení odpovídajících hodnot entalpie z diagramu nebo tabulky přehřáté páry se entalpie i zjistí z rovnice tepelné bilance RTO.4, který určuje polohu bodu 4.
Z RTO vstupuje pára do skříně kompresoru a mytím vinutí statoru vestavěného elektromotoru se ještě více přehřívá (proces 1že-1.).
Velikost přehřátí závisí na účinnosti a výkonu vestavěného elektromotoru. Při konstrukci cyklu je hodnota ΘCD odebraná přibližně rovna 10. 15 0 C.
Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli:
Chladicí jednotky navrženy tak, aby snižovaly tělesnou teplotu pod okolní teplotu a fungovaly v obráceném cyklu. V reverzním cyklu se vlivem ceny práce přenáší teplo ze studeného zdroje na horký.
Posuzuje se účinnost chladicího cyklu Koeficient výkonu
definován jako poměr tepla odebraného z ochlazeného tělesa q 2 na cyklus vynaložené práce l .
Na Obr. 4.1, 4.2 ukazuje schematický diagram a teoretický cyklus jednotka chlazení vzduchu. Z chladicí komory XK vzduch vstupuje do kompresoru K, odkud se jeho tlak zvyšuje p 1 na p 2, a teplota – od Т 1 na Т 2. Vzduch stlačený kompresorem vstupuje do tepelného výměníku (chladiče) TA, kde se ochlazuje p 2 = p 3 = konst, uvolňující teplo do okolí. Poté vzduch expanduje v expandéru D vlivem tlaku p 3 na p 4dělat užitečnou práci. Jak se roztahuje, jeho teplota klesá z Т 3 na Т 4. Studený vzduch vstupuje do chladicí komory, kde odebírá teplo z chlazeného tělesa při konstantním tlaku (p 4 = p 1 = konst).
Rýže. 4.1. Schematické schéma jednotky chlazení vzduchu
Rýže. 4.2. Cyklus chlazení vzduchu:
1–2 – adiabatická komprese vzduchu v K;
2–3 – izobarický odvod tepla ze vzduchu ve výměníku;
3–4 – adiabatická expanze vzduchu v D;
4–1 – izobarický přívod tepla do vzduchu v chladírně
Specifické množství tepla přiváděného do vzduchu v chladicí komoře (měrný chladicí výkon zařízení) je určeno z rovnice
a specifické množství tepla odváděného v chladiči do okolí je
Specifická práce vynaložená na stlačování vzduchu v kompresoru se nachází jako
a specifická práce získaná při expanzi vzduchu v expandéru je
Práce vynaložená v cyklu je dána
Vezmeme-li v úvahu tyto výrazy, bude koeficient chlazení (4.1) roven
Spotřeba chladiva v cyklu, kg/s, je stanovena jako
kde je celkový chladicí výkon zařízení, kW.
Teoretický výkon potřebný k pohonu kompresoru je
a výkon expandéru
Jako chladiva v parní kompresorové chladicí jednotky používají se látky s nízkým bodem varu při atmosférickém tlaku (amoniak, oxid uhličitý, freony). Na Obr. 4.3 ukazuje schematický diagram zařízení pro kompresi páry.
Vlhká pára chladiva vstupuje do výparníku chladicí komory HK, kde dochází k varu při konstantním tlaku (p 4 = p 1 = konst). Ochlazovanému tělesu se odebírá teplo potřebné k varu, v důsledku čehož se jeho teplota snižuje. Pára pak vstupuje do kompresoru K, odkud se její tlak zvyšuje p 1 na p 2. Pára stlačená kompresorem vstupuje do tepelného výměníku (kondenzátoru) TA, kde se ochlazuje p 2 = konst, vydávání tepla do okolí a kondenzace. Dále je přiškrcen kapalné chladivo, procházející škrticí klapkou Dr, v důsledku čehož se sníží jeho teplota a tlak a část chladiva se odpaří bez přívodu tepla zvenčí. Po přiškrcení se směs páry a plynu chladiva vrací do výparníku k opětovnému odpaření, čímž se uzavře pracovní cyklus stroje.
Rýže. 4.3. Schéma parního kompresoru
V parních kompresorových chladicích jednotkách se obvykle používají dva typy cyklů: mokrý cyklus kompresoru (viz obr. 4.4, а), ve kterém mokrá pára vychází z chladicí komory a suchá nasycená pára se získává na výstupu kompresoru; A cyklus suchého kompresoru (viz obr. 4.4, б), ve kterém z chladicí komory vychází suchá nasycená pára a kompresor pracuje v oblasti přehřáté páry.
Rýže. 4.4. Cyklus parní kompresorové chladicí jednotky,
а – mokrý chod kompresoru; б – chod kompresoru na sucho:
1–2 – proces adiabatické komprese páry v kompresoru;
2–3 – izobarický odvod tepla z páry do okolí;
3–4 – proces škrcení, h 3 = h 4;
4–1 – izobaricko-izotermický proces dodávky tepla
na chladivo v chladicím prostoru
Teplo dodávané pracovní kapalině v chladicí komoře (měrný chladicí výkon zařízení) je určeno z rovnice
Teplo uvolněné v chladiči do okolí je –
Práce vynaložená v cyklu je dána
Entalpie pracovní tekutiny se určuje z diagramů nebo tabulek sestavených pro odpovídající chladiva.
Pomocí chladicího cyklu můžete vytápět místnosti „přečerpáváním“ tepla ze studeného zdroje do horkého. Takové instalace se nazývají tepelná čerpadla.
Účinnost tepelného čerpadla se posuzuje topným koeficientem etopení,
úkoly
4.1. Chladicí jednotka vzduchu (viz obr. 4.1) má chladicí výkon = 100 MJ/h. Parametry vzduchu na vstupu kompresoru (viz obr. 4.2): p 1 = 1 bar a t 1 = –5 o C. Po stlačení má vzduch tlak p 2 = 5 barů. Teplota vzduchu po chladiči t 3 = 22 o C. Určete parametry vzduchu v charakteristických bodech cyklu, měrný chladicí výkon zařízení, práci vynaloženou v cyklu, koeficient chlazení, průtok vzduchu, výkon pohonu kompresoru a expandéru.
Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli:
