Холодильный цикл
Содержание
1. Идеальный холодильный цикл
2. Реальный холодильный цикл
3. Заключение — различие холодильных циклов
Холодильный цикл можно разделить на два схожих цикла.
Ниже рассмотрим идеальный холодильный цикл и цикл реального холодильного чиллера, по отдельности, а также обозначим их ключевые точки соприкосновения и принципиальные отличия.
1. Идеальный холодильный цикл
Самый широко распространенный холодильный цикл — это парокомпрессионный холодильный цикл, он является производным от обратного цикла Карно — подробно тут: цикл Карно (холодильника). Хладагент (аммиак, фреон или др.) всасывается компрессором в виде насыщенного пара, далее, хладагент в конденсаторе охлаждается до состояния насыщенной жидкости. Давление в испарителе снижено за счет всасывания хладагента из испарителя, хладагент под воздействием сниженного давления — испаряется, при испарении, хладагент поглощает теплоту от охлаждаемого вещества (вода, воздух и др.), через стенку теплообменной поверхности испарителя.
TS — диаграмма, где T — температура [K, С]; S — энтропия [кДж / (кг*K)].
Ph — диаграмма, где P — давление [бар]; h — удельная энтальпия [кДж / кг]
(Краткое определение) Энтропия в термодинамике — это передача (порея) энергии, при взаимодействии более горячего тела, с более холодным телом относительно друг друга.
(Краткое определение) Энтальпия — это мера полной энергии единицы массы вещества, т.е. количество энергии, которое накапливает некоторое количество вещества, при его образовании. Удельная энтальпия — это состояние закрытой термодинамической системы, равное сумме удельной внутренней энергии (U) (см. ниже) с произведением удельного объема (V) на давление (P) (работы потока за пределы системы):
h = U+ P * V
(Краткое определение) Удельная внутренняя энергия (U) — это функция состояния закрытой термодинамической системы, определяемая как ее приращение в процессах системы (процессах цикла) и равно сумме теплоты, сообщаемой системе и работы, совершенной над системой.
Описание процессов в идеальном холодильный цикле:
Процесс 1 — 2 Изоэнтропное адиабатическое сжатие (в компрессоре) с преобразованием хладагента низкой температуры и низкого давления в хладагент высокого давления и высокой температуры.
(Краткое определение) Изоэнтропный (изоэнтропийный) процесс — термодинамический процесс, происходящий при постоянной энтропии (энтропия — см. выше).
(Краткое определение) Адиабатическое сжатие — увеличение внутренней энергии системы, вследствие роста температуры, но без теплообмена системы с окружающей средой. Рост температуры во время адиабатического сжатия — увеличивает давление. Рост давления существенно быстрее, нежели скорость уменьшения сжимаемого объема. На практике теплообмен присутствует, но также незначительный.
Процесс 2 — 3 Отвод теплоты от хладагента, изобарный (при постоянном давлении) в конденсаторе. Хладагент конденсируется до состояния насыщенной жидкости.
Процесс 3 — 4 Адиабатическое дросселирование в расширительном терморегулирующем вентиле (ТРВ).
Насыщенный жидкий хладагент под высоким давлением поступает в ТРВ и дросселируется до более низкого давления из состояния 3 в состояние 4. Дросселирование является необратимым процессом что подразумевает некоторую степень неэффективности системы в целом — цикла.
Процесс 4 —1 Изотермически — изобарный отвод теплоты от охлаждаемого вещества (приток теплоты к хладагенту), при постоянном давлении и температуре в испарителе — кипение / испарение хладагента в испарителе.
Хладагент поглощает теплоту от охлаждаемого вещества. Так в этом процессе происходит смена агрегатного состояния из жидкости в пар — испарение, это устройство называют испарителем. Именно здесь имеет место полезная работа цикла, в этой части цикла происходит поглощение теплоты из области, которую охлаждаем. Для интенсификации эффективности холодильника необходимо увеличивать количество передаваемой тепловой энергии между средами (хладагентом и охлаждаемой средой) относительно затраченной электрической энергией на работу компрессора. Такое отношение именуют индексом или коэффициентом эффективности холодильника или КПД. Если кратко, то: КПД = количество отведенной (от охлаждаемого объекта) теплоты на количество затраченной работы (электроэнергии). КПД = Q1[кВт] / P[кВт]. Еще его называют теплоэффективностью или энерогоэффективностью холодильной установки.
Q1 — фактически представляет собой охлаждающий эффект (количество утилизированной теплоты из охлаждаемой камеры). P — показание электросчетчика за время работы холодильника.
(Пример) В реальных холодильных тепловых насосах коэффициент энергоэффективности больше единицы иногда достигает более 3. Тепловой насос является тем же холодильником, но конечный требуемый эффект — это нагрев. В холодильнике мы охлаждаем объект, а теплоту отнятую у охлаждаемого объекта + теплоту полученную системой из вне — канализируем. Утилизируем ненужную высокопотенциальную теплоту в некоторый условно неисчерпаемый источник оттока теплоты — окружающий воздух, проточную воду или градирню. Высокопотенциальная теплота — “концентрированная теплота” на единицу объема, с более высокой температурой. А в тепловом насосе, напротив, теплоту, отнятую у объекта + теплоту, полученную системой из вне (высокопотенциальную теплоту) используем как целевую. В тепловых насосах охлаждаемое вещество принимается как неисчерпаемый ресурс теплопритока —низкопотенциальной теплоты (напр., охлаждение уличного воздуха или грунтовых вод) Т.е. на 1 кВт электричества переносится 3 кВт теплоты от охлаждаемого объекта к нагреваемому (напр., теплоносителю в отопительной системе или воздуху комнаты). Чем теплее охлаждаемый объект, тем он более высокопотенциальный, с точки зрения теплоты, которую можно отнять у него и передать нагреваемому объекту посредством хладагента в холодильном цикле. Как известно, воздушные тепловые насосы осенью и весной гораздо более эффективны чем зимой, так как воздух теплее (имеет более высокопотенциальную теплоту) и тепловой насос способен переместить больше теплоты за единицу работы, переданной компрессору холодильника (теплового насоса). Тепловые насосы, которые охлаждают глубокие грунтовые воды с одинаковой температурой, имеют круглый год одинаковый коэффициент эффективности.
Допущения идеального цикла, которые не позволяют его реализовать на практике:
— Необратимость процессов в испарителе, конденсаторе и компрессоре не учитывается;
— Отсутствие циклических — фрикционных падений давления, при работе компрессоров;
— Наличие изобарных процессов в испарителе и конденсаторе;
— Сопутствующие потери теплоты из системы в окружающую среду — не учитываются;
— Изоэнтропное сжатие — на практике не применимо.
2. Реальный холодильный цикл
Реальный холодильный парокомпрессионный цикл служит для переноса теплоты из охлаждаемой — низкотемпературной области в высокотемпературную область.
Описание процессов в реальном холодильный цикле:
Процесс 1 — 2 Необратимое и не адиабатическое сжатие хладагента. Теплопередача от окружающей среды к хладагенту с учетом энтропии.
Хладагент адиабатически сжимается в компрессоре, перебрасываясь из хладагента низкой температуры и низкого давления в хладагент высокой температуры и давления.
(Примечание) Применяют различные компрессоры по типу сжатия: поршневые, спиральные, винтовые, ротационные, центробежные. Также холодильные компрессоры делятся на герметичные, полугерметичные и сальниковые или открытые.
Уменьшение объема сопровождается увеличением давления, что приводит к увеличению внутренней энергии из — за уменьшения расстояния между молекулами хладагента. Из —за жидкостного трения (хладагента) и механического трения (деталей компрессора), процесс сжатия не является изоэнтропным, как в идеальном цикле, ввиду того что трение приводит к выделению тепла. Образование тепла приводит к увеличению энтропии.
Процесс сжатия, в отличие от идеального обратимого становится необратимым. Необратимость, естественным образом, влияет на снижение КПД реального цикла.
Процесс 2 — 2.1 — 3 Теплопередача от хладагента к окружающей среде, где S2.1 < S1 с падением температуры и давления из — за теплообмена и трения.
После сжатия в компрессоре хладагент с высоким давлением и температурой поступает в конденсатор. Посредством конденсатора теплота отводится от хладагента при высоком давлении.
(Примечание) Применяют различные типы конденсаторов: воздушные конденсаторы, кожухотрубные конденсаторы, испарительные конденсаторы и пластинчатые.
Теплота, отводимая от хладагента, при идеальной работе не влияет на давление и температуру. Таким образом, в реальном цикле, при идеальной работе, данный процесс является и изобарным, и изотермическим. Все же на практике, это не совсем так, а именно, потеря теплоты происходит главным образом за счет фазового перехода хладагента, что может сопровождаться колебаниями давления и температуры.
Количество теплоты, отводимое от хладагента в конденсаторе, является теплотой конденсации или теплотой, выделяемой конденсатором в охлаждающую среду (вода / воздух).
Процесс 3 — 4 Процесс переохлаждения — это процесс охлаждения хладагента после достижения состояния насыщения — насыщенная жидкость. Процесс с более низкой энтальпией по сравнению с не переохлаждённой насыщенной жидкостью.
Процесс 4 — 5 Падение температуры и давления — дросселирование в дроссельном устройстве (в ТРВ или капиллярной трубке) — расширение хладагента.
В процессе дросселирования (расширения) падает давление и температура хладагента после прохождения через дроссель.
Дроссель обеспечивает резкое увеличение сечения через которое проходит хладагент, что снижает его давление температуру.
Более интенсивная теплоотдача, при переохлаждении после конденсации, приводит к более низкой температуре хладагента на входе в дроссель, температура после расширения также более низкая, чем в идеальном цикле, так как переохлажденный хладагент имеет меньше теплоты к моменту дросселирования.
(Примечание) Дроссельный механизм также называют дозирующим, так как он фактически регулирует количество жидкого хладагента, поступающего в испаритель.
Процесс 5 — 6 Процесс испарения хладагента.
Испаритель отвечает за охлаждающий эффект системы охлаждения.
Посредством испарителя поглощается теплота из охлаждаемой среды, когда хладагент проходит через него и кипит в нем.
При идеальной работе испарение является изотермическим процессом. При движении хладагента внутри испарителя и его кипении, не происходит изменения его температуры. Однако, на практике, поглощение теплоты от охлаждаемого вещества происходит главным образом за счет фазового перехода, что может сопровождаться колебаниями давления и температуры.
Теплоту, поглощаемую при испарении хладагента, называют скрытой теплотой парообразования — теплота, необходимая для преобразования жидкого хладагента в пар.
(Примечание) Применяют различные типы испарителей: воздушные испарители — воздухоохладители, кожухотрубные испарители, погружные и пластинчатые.
Процесс 6 — 1 Процесс перегрева хладагента.
Процесс нагрева хладагента выше состояния насыщенного пара. Перегретый пар имеет более высокую энтальпию по сравнению с не перегретым насыщенным паром.
При работе холодильной установки перегрев обеспечивает преобразование всего хладагента в парообразное состояние без следов жидкого хладагента до момента попадания в компрессор. Перегретый — «сухой» пар предотвращает риск возникновения влажного хода и гидроудара компрессора.
3. Заключение — различие холодильных циклов
Двумя основными различиями между идеальным и реальным циклом являются потери в результате трения, вызывающее падение давления, а также передача теплоты в окружающую среду и из нее.
Абсолютно обратимые процессы, такие как изотермическое поглощение и отвод тепла и изоэнтропное сжатие, на практике не могут быть реализованы.
Некоторые процессы, отсутствующие в идеальном цикле, в реальном цикле, напротив, являются намеренными и даже обязательными для нормальной работы парокомпрессионной холодильной установки, такие как — переохлаждение и перегрев хладагента.
Идеальный цикл можно принимать как модель для упрощения некоторых базовых расчетов в холодильной технике и понимая принципиальной работоспособности некоторых новых идей и технологий.