Более выгодны и удобны по сравнению с воздушными паровые компрессорные холодильные установки, позволяющие в области насыщенного пара осуществить изотермический отвод и подвод теплоты, отбираемой у охлаждающей среды, и приблизить холодильный цикл к обратному циклу Карно.
Осуществить в холодильной установке подвод и отвод теплоты по изотермам удается в том случае, если в качестве хладоагента используется влажный пар какой-либо легкокипящей жидкости, т.е. жидкости, у которой температура кипения при атмосферном давлении меньше температуры окружающей среды . В парокомпрессорных холодильных установках (ПКХУ) осуществляются, в основном, те же процессы, что и в ВХМ. Рабочим телом (хладоагентом) таких установок явл. легкокипящие жидкости: аммиак, углекислота, сернистый ангидрид, фторохлорпроизвод-ные простейших углеводородов и др. Наибольшее применение имеют аммиак и фреоны. В ПКХУ в отличие от ВХМ вместо детандера применяется дроссельный (редукционный) вентиль, при помощи которого регулируют температуру в охлаждаемом объеме, изменением степени открытия редукционного вентиля. Процесс адиабатного дросселирования сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества, при этом энтальпия вещества не изменяется. ПКХУ представлена на рис. 30.1 и работает следующим образом:
Сжатый в компрессоре 3 до давления влажный (сухой) пар поступает в конденсатор (охладитель) 2, где за счет отдачи теплоты охлаждающей среде происходит полная конденсация пара. Процесс конденсации происходит по изобаре-изотерме 4 – 1
рис. 30.2.
Жидкость из конденсатора при давлении и температуре Т1 проходит через дроссельный вентиль 1, где она дросселируется до давления . Давление выбирается таким, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения Т2 была несколько ниже температуры охлаждаемого объема. Процесс дросселирования в вентиле 1 явл. необратимым и на Т,S- диаграмме изображается условной линией 1 – 2.
После дроссельного вентиля, влажный пар направляется в испаритель 4, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждающих тел, содержащаяся в нем жидкость испаряется, степень сухости влажного пара при этом возрастает. Изобрно-изотермический процесс подвода теплоты к хладоагенту в испарителе изображается линией 2 – 3. Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор 3, где адиабатно сжимается от давления до давления . В ПКХУ в зависимости от состояния пара, выходящего из компрессора, возможны следующие циклы: на насыщенном паре (рис. 30.2.а); на влажном паре (рис. 30.2.б); на перегретом паре (рис. 30.2.в).
Из компрессора пар направляется в конденсатор 4, и цикл замыкается.
Цикл 1 – 2 – 3 – 4, приведенный на рис. 30.2, отличается от обратного цикла Карно 1 – А – 3 – 4 тем, что процесс 1 – 2 охлаждения хладоагента от температуры Т1 до Т2 происходит по необратимой адиабате в дроссельном вентиле, а в цикле Карно по обратимой адиабате 1 – А в детандере. Количество теплоты , отбираемое от холодного источника, в цикле ПКХУ изображается пл. (а – 2 – 3 – в – а), а количество теплоты , отбираемого в обратном цикле Карно равно пл.(с – А -3 – в – с). Из рис.30.2.а видно, что пл. (с – А – 3 –в –с) > пл. (а – 2 – 3 – в – а). Потеря хладопроизводительности от замены детандера редукционным вентилем определяется пл.
(А – 2 – а – с – А). Количество теплоты, переданное в конденсаторе охлаждающей среде при постоянном давлении, равно: .
Теплота, подводимая к хладоагенту в охлаждаемом объеме, равна
В цикле ПКХУ работа, затрачиваемая на привод компрессора 3, равна:
Поскольку в процессе дросселирования , то работа, затрачиваемая в цикле, равнв работе компрессора, т.е. .
Подставляя значение и в уравнение:
, (30.1)
На эффективность холодильных установок оказывают влияние свойства хладоагента. Из выражения (30.1) видно, что хладопроизводительность тем выше, чем больше разность энтропий . Разность тем больше, чем «шире» цикл, т.е. чем больше разность . Причем: , (30.2)
где: r – скрытая теплота парообразования хладоагента при температуре Т1.
Таким образом, при постоянном расходе хладоагента в установке хладопроизводительность цикла тем выше, чем больше теплота парообразования хладоагента при верхней температуре цикла. Следовательно, величина r может быть использована в качестве критерия для оценки хладоагента.
ПКХУ применяются для получения и поддержания в охлаждаемом объеме температур от 0 до -120 оС, а иногда и ниже. Нижняя температура цикла Т2 задается при проектировании в зависимости от назначения холодильной установки, верхняя Т1 определяется температурой охлаждающей воды, поступающей в конденсатор. Обычно температура охлаждающей воды изменяется в пределах от 0 до +30 оС.
К хладоагентам для ПКХУ предъявляют следующие требования:
1. Хладоагент должен иметь возможно большую теплоту парообразования r.
2. Давление насыщенных паров хладоагента при нижней температуре Т2 долно быть выше атмосферного, т.к. в этом случае легче устранить утечку хладоагента, чем подсос воздуха при вакууме. Попадание воздуха и влаги в хладоагент ухудшает теплопередачу. Кроме того, влага может замерзать при низкой температуре.
3. Хладоагенты должны быть нетоксичными, химически стойкими и не взаимодействовать с конструкционными материалами.
ПКХУ имеют преимущества перед воздушными. У них более высокий холодильный коэффициент и выше хладопроизводительность. Кроме того, они компактнее и более дешевые.