2.3 Теоретический цикл охлаждения - УКЦ

Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсолютного давления и теплосодержания (энтальпии). На диаграмме (смотри Рис. 2) представлена характерная кривая насыщения хладагента.

Диаграмма давления и теплосодержания.

Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме «Давление и теплосодержание»

Рисунок 2

Левая часть кривой соответствует состоянию насыщенной жидкости, правая часть — состоянию насыщенного пара. Две кривые соединяются в центре в так называемой «критической точке», где хладагент может находиться как в жидком, так и в парообразном состоянии. Зоны слева и справа от кривой соответствуют переохлаждённой жидкости и перегретому пару. Внутри кривой линии помещается зона, соответствующая состоянию смеси жидкости и пара.

Рассмотрим схему теоретического (идеального) цикла охлаждения и наиболее характерные процессы, происходящие в компрессионном цикле охлаждения с тем, чтобы лучше понять действующие факторы (см. Рис. 3).

Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме «Давление и теплосодержание».

Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме «Давление и теплосодержание»

Рисунок 3

Сжатие пара в компрессоре.

Холодный парообразный насыщенный хладагент поступает в компрессор (точка С ). В процессе сжатия хладагента повышаются его давление и температура (точка D). Теплосодержание (энтальпия) также повышается на величину, определяемую отрезком НС — НD, то есть проекцией линии С — D на горизонтальную ось.

Конденсация.

В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в конденсатор, где начинается его конденсация и переход из состояния горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое состояние происходит при постоянном давлении и постоянной температуре. Следует отметить, что, хотя температура смеси остаётся практически неизменной, теплосодержание уменьшается за счёт отвода теплоты от конденсатора и превращения пара в жидкость. Поэтому этот процесс на диаграмме изображается в виде прямой, параллельной горизонтальной оси.

Процесс в конденсаторе происходит в три фазы: снятие перегрева (линия D – Е), собственно конденсация (линия Е – А) и переохлаждение жидкости (линия А — А ). Рассмотрим кратко каждую фазу.

Снятие перегрева (линия D — Е).

Это первая фаза, происходящая в конденсаторе, и в течение её температура охлаждаемого пара снижается до температуры насыщения или конденсации. На этом этапе происходит лишь отъём излишней теплоты и не происходит изменение агрегатного состояния хладагента.

На этом участке снимается примерно 10 — 20% общего теплосъёма в конденсаторе.

Конденсация (линия Е — А).

Температура конденсации охлаждаемого пара и образующейся жидкости сохраняется постоянной на всём протяжении всей этой фазы. Происходит изменение агрегатного состояния хладагента с переходом насыщенного пара в состояние насыщенной жидкости.

На этом участке снимается 60 — 80% теплосъёма.

Переохлаждение жидкости (линия А — А).

На этой фазе хладагент, находящийся в жидком состоянии, подвергается дальнейшему охлаждению, в результате чего его температура понижается. Получается переохлаждённая жидкость (по отношению к состоянию насыщенной жидкости) без изменения агрегатного состояния.

Переохлаждение хладагента даёт значительные энергетические преимущества: при нормальном функционировании понижение температуры хладагента на один градус соответствует повышению мощности холодильной машины примерно на 1% при том же уровне энергопотребления.

Количество теплоты, выделяемой в конденсаторе.

Участок D — А соответствует изменению теплосодержания хладагента в конденсаторе и характеризует количество теплоты, выделяемой в конденсаторе.

Регулятор потока ( линия А — В).

Переохлаждённая жидкость с параметрами в точке А поступает на регулятор потока (капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан), где происходит резкое снижение давления. Если давление за регулятором потока становится достаточно низким, то кипение хладагента может происходить непосредственно за регулятором, достигая параметров в точке В.

Испарение жидкости в испарителе (линия В — С).

Смесь жидкости и пара (точка В ) поступает в испаритель, где она поглощает теплоту окружающей среды (потока воздуха) и переходит полностью в парообразное состояние (точка С).

Процесс происходит при постоянной температуре, но с увеличением теплосодержания.

Как уже говорилось выше, парообразный хладагент несколько перегревается на выходе из испарителя. Главная задача фазы перегрева (линия С — С ) — обеспечение полного испарения оставшихся капель жидкого хладагента, чтобы в компрессор поступал только парообразный хладагент. Это требует повышения площади теплообменной поверхности испарителя на 2-3% на каждые 0,5 ºС перегрева. Поскольку обычно перегрев составляет 5-8 ºС, то увеличение площади поверхности испарителя может составить около 20%, что безусловно оправдано, т.к. увеличивается эффективность охлаждения

Количество теплоты, поглощаемой испарителем.

Участок НВ — НС соответствует изменению теплосодержания хладагента в испарителе и характеризует количество теплоты, поглощаемой испарителем.