Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, применяемых на практике.
На рис. 29.1 приведена принципиальная схема воздушной холодильной машины (ВХМ).
Воздух с давлением поступает в детандер 1, где адиабатно расширяется по линии 1 – 2 (Рис. 29.2) до давления и совершает при этом работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, генератору электрического тока). Расширение воздуха сопровождается понижением его температуры от Т1 до Т2. Затем он поступает в охлаждаемый объем 2 (рефрижератор), где отбирает теплоту от охлаждаемого объекта при по линии 2 – 3.
Отвод теплоты из охлаждаемого объема возможен только в том случае, если температура воздуха в течение всего изобарного процесса отбора теплоты будет меньше, чем температура охлаждаемого объема. В принципе температура воздуха на выходе из охлаждаемого объема Т3 может сравняться с температурой охлаждаемых тел. На практике же она всегда немного ниже этой температуры. (Здесь происходит повышение температуры воздуха от Т2 до Т3).
По выходе из охлаждаемого объема воздух направляется в компрессор 3 (в основном применяются турбокомпрессоры), где его давление повышается от до (при этом температура воздуха возрастает от Т3 до Т4) по адиабате 3 – 4. Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель 4. Охладитель представляет собой теплообменник поверхностного типа, в котором температура воздуха снижается вследствие отдачи теплоты охлаждающей воде, циркулирующей через охладитель. В принципе температура воздуха на выходе из охладителя Т1 может быть сделана сколь угодно близкой к температуре охлаждающей воды, однако на практике температура воздуха всегда несколько выше температуры охлаждающей воды. Процесс в охладителе происходит при
.
Из рис. 29.2 видно, что 3 – 4 – 1 это линия сжатия воздуха, а 1 – 2 – 3 это линия расширения. Работа, затрачиваемая на привод компрессора, изображается пл. m – 4 – 3 –
- m. Следовательно, работа, затрачиваемая в цикле ВХМ, изображается пл. 1 – 2 – 3 – 4 – 1. Процесс в компрессоре может осуществляться либо по адиабате, либо по изотерме, либо по политропе с показателем 1< n < k. При одном и том же отношении давлений р1 / р2 наибольшее увеличение температуры газа в компрессоре имеет место при адиабатном сжатии. Теплоотвод от воздуха интенсифицируется при увеличении температурного перепада между воздухом и водой. Однако при заданной температуре охлаждающей воды увеличение температуры воздуха влечет за собой увеличение затраты работы.
В Т,S – диаграмме теплота , отводимая из охлаждаемого объема, изображается пл. а – 2 – 3 – в – а. Работа, затрачиваемая в цикле есть пл. 1 – 2 – 3 – 4 – 1 и теплота, от-
даваемая охладителю, равна пл. 1 – а – в – 4 – 1.
Давление воздуха в ВХМ обычно невелико (как правило, не выше 500 кПа).
Теплота , отбираемая воздухом из охлаждаемого объема в изобарном процессе 2 - 3,
равна: , (29.1)
а теплота , отдаваемая воздухом охлаждающей воде в холодильнике (горячему источнику) в изобарном процессе 4 – 1, равна: , (29.2)
Учитывая, что в охлаждаемом объеме температура значительно выше критической температуры воздуха ( - 140,7 оС, или 132,3 К), воздух можно считать идеальным газом с постоянной теплоемкостью.
Поэтому из (29.1) и (29.2), имеем:, ,
Подставляя эти значения и в уравнение для холодильного коэффициента цикла ВХМ, имеем: , (29.3)
В соответствии с уравнением: , имеем для адиабатного процесса
3 – 4: , (29.4)
и аналогично для адиабатного процесса 1 – 2: , (29.5)
Поскольку для изобарных процессов 4 – 1 и 2 – 3 и , то из
(29.4) и (29.5) очевидно, что , (29.6)
С учетом этого соотношения нетрудно показать, что
, (29.8)
Подставляя (29.8) в (29.4), получаем: , (29.9)
или, что то же самое , (29.10)
Заменяя в (29.9) Т1/Т2 с помощью уравнения (29.6), получаем выражение для холодильного коэффициента цикла ВХМ в виде:
, (29.11)
По внешнему виду уравнение (29.10) совпадает с уравнением холодильного коэффициента для обратного холодильного цикла Карно. Однако это сходство чисто внешнее: в обратном цикле Карно Т2 – это температура, равная в пределе температуре ох-
лаждаемого объема, тогда как в цикле ВХМ Т2’ значительно ниже (в этом цикле темпе-
ратура Т2’ равна в пределе температуре Т3). Отсюда следует, что при одном и том же значении Т1 холодильный коэффициент обратного цикла Карно выше холодильного коэффициента цикла ВХМ. Это видно из Т,S-диаграммы на рис. 29.3, на которой изображены осуществляемые в одном и том же интервале температур от Т1 до Т2’ обратный цикл Карно (1 – 2k – 3 – 3k -1) и цикл ВХМ (1 – 2 – 3 – 4 – 1).
Как видно из этой диаграммы, в цикле ВХМ отбирается меньше теплоты, чем в обратном цикле Карно (соответственно пл. (а – 2 – 3 – в – а) и пл. (а – 2k – 3 - в – a), а работа, затрачиваемая в цикле ВХМ пл. (1 – 2 – 3 – 4 – 1), больше, чем в обратном цикле Карно пл. (1 – 2k – 3 – 3k – 1).
Следовательно, при одной и той же затрате работы ВХМ имеет значительно меньшую холопроизводительность, чем установка, в которой осуществляется обратный цикл Карно. Поэтому ВХМ требует больших расходов воздуха.
Недостатки, присущие циклу воздушной холодильной установки, определяются тем, что процессы отбора теплоты из охлаждаемого объема и отдачи воздухом теплоты в охладителе осуществляются не по изотерме, а по изобаре. В этом случае средняя температура отвода теплоты в цикле оказывается выше Т1, а средняя температура подвода теплоты - ниже . Очевидно, что в цикле ВХМ величины и
Будут тем ближе соответственно к Т1 и Т2’, чем «уже» цикл в Т,S-диаграмме, т.е. чем меньше переохлажден воздух, выходящий из детандера, по сравнению с охлаждаемым объемом, иными словами, чем меньше разность Т2’ – Т2
На Т,S-диаграмме рис. 29.3 изображены два цикла ВХМ: (1-2-3-4-1) и (1 – 2’ – 3’ – 4’ – 1), осуществляемые в одном и том же интервале температур (между Т1 и Т2’). Из этойдиаграммы очевидно, что величины и в более «узком» цикле (1 – 2 – 3 – 1)
ближе соответственно к Т1 и Т2’, чем в «широком» цикле (1 -2 – 3 – 4 – 1).
Следовательно, чем «уже» цикл, тем выше значение холодильного коэффициента. Следует, однако, иметь в виду, что «сужение» цикла (т.е. уменьшение разности Т2’ - Т2) приводит, как правило, и к тому, что уменьшается количество теплоты , отбираемой из охлаждаемого объема за один цикл. Таким образом, хотя холодильный цикл и становится теоретически более эффективным, но для обеспечения прежней (как в цикле 1 – 2 – 3 – 4 – 1) холодопроизводительности необходимо увеличивать расход воздуха в контуре установки. Кроме того, необратимость реальных процессов адиабатного сжатия и расширения в реальной установке оказывает значительно большее отрицательное влияние на «узкий» цикл.