Парокомпрессионный холоди:льный цикл изучите принцип работы, концепцию охлаждения, COP

У большинства из нас в офисах и дома есть кондиционеры и холодильники. Но если вы видите все это как инженер-механик, как бы вы объяснили общий процесс охлаждения во всех этих приборах? Охлаждение или эффект охлаждения просто означает процесс поддержания в системе температуры ниже, чем в окружающей среде. Практически это достигается с помощью цикла, известного как цикл сжатия пара. Этот полный термодинамический цикл технически известен как парокомпрессионный холодильный цикл.

В этой статье мы узнаем о охлаждении и парокомпрессионном холодильном цикле, принципе работы парокомпрессионной холодильной системы (видеомагнитофонов), факторах, влияющих на нее, типах, преимуществах и недостатках парокомпрессионного цикла и, наконец, рассмотрим несколько примеров, чтобы понять концепцию в целом.

Цикл охлаждения с компрессией пара

Процесс парокомпрессионного холодильного цикла состоит из четырех основных компонентов, а именно компрессора, конденсатора, расширительного клапана или дроссельной заслонки и испарителя. Этот цикл работает за счет сжатия и предназначен для повышения давления хладагента при его выходе из испарителя.

Что такое парокомпрессионный холодильный цикл?

Охлаждение — это процесс отвода тепла от источника, высокотемпературной области, к стоку, низкотемпературной области. Это достигается за счет использования механической энергии. Процесс использования механической энергии для достижения эффекта охлаждения называется обратным тепловым насосом или холодильным циклом.

Существует два метода охлаждения: циклический и нециклический.

Холодильный цикл включает в себя непрерывный цикл передачи тепла из горячей области в холодную. Цикл сжатия пара включает в себя такие процессы, как испарение, сжатие, конденсация и дросселирование с помощью хладагентов, таких как аммиак ( $N H_{3}$ ) или газообразный диоксид углерода ( $C O_{2}$ ). Хладагент — это рабочая жидкость в холодильном цикле, используемая для отвода тепла, поглощаемого системой.

Эти парокомпрессионные системы относятся к общему классу пароциклов, в которых хладагент или рабочая текучая среда претерпевает фазовый переход в одном из процессов цикла по крайней мере один раз, в соответствии со вторым законом термодинамики.

Второй закон термодинамики гласит: ‘общая энтропия изолированной системы либо увеличивается, либо остается постоянной в идеальных условиях, при которых система находится в обратимом процессе или в стационарном состоянии’.

Давайте подробно изучим процесс.

Детали парокомпрессионного холодильного цикла

Важно разбираться в деталях, чтобы полностью понять принцип работы холодильного цикла. Давайте обратимся к типичным компонентам холодильника, чтобы понять этот процесс. Обратитесь к рисунку, показанному ниже.

Рис. 1: Типичный цикл охлаждения с компрессией пара

(A) Компрессор: Это механическое устройство, похожее на тепловой насос, используемое для повышения давления газообразных хладагентов за счет уменьшения их объема. Жидкие хладагенты относительно несжимаемы, и поэтому их закачивают в конденсатор. Но давайте предположим, что в этой статье мы используем газообразные хладагенты (ХФУ, углеводороды, $N H_{3}$ , $C O_{2}$ и т.д.).

(B) Конденсатор: Обычно это теплообменники в системе, которые имеют ребра радиатора для отвода тепла. Конденсатор используется для перевода хладагента из паровой фазы в жидкую или для снижения тепловыделения. На этом примере изображения воздух представляет собой охлаждающее вещество, к которому в результате экзотермического процесса отводится скрытое тепло от хладагентов.

(C) Расширительный клапан: Конденсированный хладагент подается к расширительному клапану для регулирования расхода. Благодаря постоянной энтальпии давление хладагента снижается. Это низкое давление необходимо для испарителя на следующем этапе.

(D) Испаритель: Здесь хладагент поглощает тепло из системы и отводит его. Обычно вентилятор или нагнетательная установка обеспечивает циркуляцию теплого воздуха, поглощаемого системой, к трубкам, по которым подается холодный хладагент. Этот процесс снижает температуру в системе.

Принцип работы парокомпрессионного холодильного цикла

Система охлаждения с компрессией пара использует механическую энергию для работы компрессора. Именно по этой причине видеомагнитофоны также можно назвать механической системой охлаждения. Мы будем ссылаться на рисунок 1 выше, а также на рисунок 2 в этом разделе.

Рис. 2: Работа видеомагнитофонов

Шаг 1 — Процесс сжатия: Хладагент в паровой фазе при низкой температуре и давлении поступает в компрессор. Затем он сжимается, повышая температуру и давление.

Шаг 2 — Процесс конденсации: Хладагент в паровой фазе поступает в конденсатор. Здесь фаза преобразуется в жидкость под высоким давлением и собирается в резервуар-приемник.

Шаг 3 — Процесс расширения (дросселирования): жидкость под высоким давлением в резервуаре пропускается через расширительный клапан для снижения давления хладагента до низкого давления и температуры, как показано на рисунке 3.

Шаг 4 — Процесс парообразования (испарения): После прохождения через расширительный клапан хладагент поступает в испаритель. При этом тепло в нем отводится из окружающей среды и испаряется. В процессе давление снижается, но температура повышается.

Здесь объясняется принцип работы парокомпрессионной холодильной системы. Давайте разберемся в этом более технически.

T-S схема парокомпрессионного холодильного цикла

Система, выполняющая типичный парокомпрессионный холодильный цикл, подвергается серии из четырех термодинамических процессов, которые мы изучим, используя приведенную ниже T-S диаграмму.

Рис. 4: Фазовая диаграмма T-S

(1) Изоэнтропийное сжатие (1-2): Компрессор адиабатически сжимает хладагент в паровой фазе. Это увеличивает внутреннюю энергию и давление, в то время как энтропия (обозначается буквой «S’) остается неизменной. После этого процесса пар перегревается.

(2) Изобарический отвод тепла (2-3): Перегретый пар проходит через змеевики в конденсаторе, и тепло от хладагента передается окружающей среде. Температура конденсированного хладагента теперь ниже температуры окружающей среды, но давление остается прежним.

(3) Изэнтальпический процесс (3-4): Действие в этих состояниях происходит в расширительном клапане. Задействованный процесс регулирования таков, что удельная энтропия остается постоянной, т.е. $S_{4} = S_{3}$ . На этом этапе хладагент превратится в насыщенную жидкость.

Здесь происходит явление, известное как «Автоматическое охлаждение», при котором скрытое тепло поглощается вспышкой, возникающей из-за внезапного расширения дроссельного клапана.

(4) Изобарическое добавление тепла (4-5): Действие происходит в испарителе. Камера открыта для потока. Таким образом, полупаристый хладагент в парожидкостной фазе проходит по трубкам. Опять же, процесс, описанный в (1), продолжается, пока хладагент сначала находится в виде насыщенного пара.

ПРИМЕЧАНИЕ: В парокомпрессионном холодильном цикле рабочая жидкость используется постоянно, поскольку используется система с замкнутым контуром.

Теперь давайте изучим несколько уравнений, используемых для расчета коэффициента полезного действия охлаждения, который обсуждается далее в этой статье.

Уравнения, связанные с каждой стадией цикла охлаждения с компрессией пара

В зависимости от типа работы, выполняемой каждой частью холодильного цикла, для ее представления используется набор математических уравнений. При изучении этой концепции обратитесь к рисунку 4 выше.

Примечание: $h_{1}$ , $h_{2}$ , $h_{3}$ , и $h_{4}$ = Энтальпии в состояниях 1, 2, 3 и 4 соответственно.

(1) Компрессор: Потребляемая мощность или выполняемая компрессором работа задается как

$W_{c} = h_{2} - h_{1}$ .

(2) Конденсатор: Скорость теплопередачи или отвода тепла конденсатором определяется как

$Q_{r e} = h_{3} - h_{2}$ .

(3) Расширительное устройство или дроссельный клапан: Поскольку энтропия остается постоянной, учитывается энтропия в любом отдельном состоянии. Давайте рассмотрим энтропию на стадии 4, поскольку это конечное постоянное значение энтропии в этом процессе.

Математически, $h_{4} = h_{f} + x_{4} h_{f g}$

(4) Испаритель: Скорость теплопередачи от испарителя определяется как

$Q_{a d d} = h_{1} - h_{4}$

Используя все эти уравнения, мы можем легко рассчитать коэффициент полезного действия или COP парокомпрессионного холодильного цикла.

Коэффициент полезного действия (COP)

Термин ‘Коэффициент полезного действия’ имеет жизненно важное значение при проектировании различных холодильных устройств. Таким образом, КПД холодильника — это отношение тепла, отводимого из холодной области (например, внутренней секции холодильника), к работе, выполняемой компрессором для отвода тепла.

Математически, COP = $\frac{Q_{r e}}{W_{c}} = \frac{Q_{r e}}{Q_{r e} + Q_{a d d}} = \frac{h_{3} - h_{2}}{h_{1} - h_{4}}$

Это означает, что чем больше $Q_{r e}$ система с более высоким КПД, извлеченная из холодильника, более эффективна и совершенна.

При знании COP может возникнуть распространенный вопрос о факторах, которые могут повлиять на парокомпрессионный холодильный цикл.

Факторы, влияющие на цикл охлаждения с компрессией пара

Всего существует пять факторов, влияющих на эффективность цикла сжатия пара.

Переохлаждение жидкостей

Что касается процесса конденсации, дальнейшее снижение температуры хладагента до более низкого значения увеличивает общий эффект охлаждения. Это представляет собой переохлажденную жидкость. Это жидкий хладагент с температурой ниже температуры испарения (температуры насыщения) хладагента.

Обычно для переохлаждения используются следующие методы:

При прохождении жидкого хладагента из конденсатора через теплообменник холодный пар из него выходит в обратном направлении. Это улучшает эффект охлаждения за счет поддержания постоянной COP.
Использование избытка охлаждающей воды для снижения температуры значительно ниже температуры насыщения.
Для снижения температуры хладагента используется отдельный субохладитель. В этом процессе улучшается КПД.

Перегрев пара

Хладагент в паровой фазе может перегреться за счет более высокого поглощения тепла в испарителе. Эффект охлаждения усилится, если он поступит в компрессор в перегретом состоянии. Но КПД может оставаться неизменным, увеличиваться или уменьшаться в зависимости от давления в системе.

Изменение давления всасывания

При охлаждении впускное давление, создаваемое компрессором, называется давлением всасывания. Оно также называется давлением на нижней стороне и обозначается $P_{o}$ . Из-за этого снижается эффект охлаждения и увеличивается объем работы компрессора. Таким образом, становится важным поддерживать давление всасывания как можно ниже, чтобы добиться максимального охлаждения при минимальной выполняемой работе.

Изменение давления на выходе

В отличие от давления всасывания, давление нагнетания — это давление, создаваемое на выходе компрессора. Его также называют давлением на верхней стороне или напором и обозначают $P_{d}$ . Благодаря этому работа, выполняемая компрессором, будет увеличена, но эффект охлаждения будет снижен.

В свою очередь, увеличение $P_{d}$ в результате коэффициент полезного действия значительно снижается. Таким образом, в зависимости от температуры среды давление нагнетания компрессора следует поддерживать низким.

Влияние объемного КПД компрессора

Объемный КПД — это отношение количества хладагента в газовой фазе, проходящего через компрессор (всасывание), к количеству хладагента, выходящего из него (выпуск). Математически он представлен $e t a_{v}$ .

Обратитесь к рисунку ниже, чтобы понять эффект.

Рис. 5: P-v диаграмма для демонстрации объемной эффективности

На объем хладагента, перекачиваемого компрессором, влияют такие факторы, как падение давления через выпускной и всасывающий клапаны, объем зазора, утечка пара по поршню и перегрев холодного пара.

См. рис. 5:

Пар заполняется во время такта всасывания B”-B под давлением $P_{s}$ .
Расширение пара происходит вдоль C’-B’.
Когда давление падает с P до $P_{s}$ открывается всасывающий клапан. Следовательно, фактическое количество пара ( $v_{1} - v_{2}$ ) всасывается во время такта всасывания.
Общий объем остается ( $v_{1} - v_{c})$ .

Из этих наблюдений следует, что более высокая объемная эффективность снижает эффект охлаждения, и наоборот.

Типы парокомпрессионных холодильных циклов

Давайте познакомимся с различными типами парокомпрессионных холодильных установок с точки зрения экзамена. Классификация состоит из циклов с

(1) Сухое сжатие: сухой хладагент с насыщенными парами поступает на вход, а насыщенный пар — на выход после сжатия.

(2) Влажное сжатие: хладагент с влажным паром подается на вход, а сухой хладагент с насыщенным паром — на выход из компрессора.

(3) Цикл перегрева парового хладагента: здесь цикл существует до подачи хладагента в компрессор.

(4) Цикл с переохлажденным жидким хладагентом: цикл продолжается до того, как хладагент поступает в расширительный клапан.

Преимущества парокомпрессионного холодильного цикла

Существует несколько преимуществ парокомпрессионного цикла или парокомпрессионной холодильной системы, которые перечислены ниже.

Регулируя расширительный клапан, можно регулировать температуру испарителя.
Этот цикл отличается высоким коэффициентом полезного действия.
Эксплуатационные расходы всей системы в целом невелики.

Недостатки парокомпрессионного холодильного цикла

Есть несколько менее обсуждаемых недостатков парокомпрессионного цикла, которые перечислены ниже.

Необходимо проводить постоянное техническое обслуживание для контроля утечки хладагента или конденсированной жидкости из труб.
Согласно различным отчетам об охране окружающей среды, использование хладагентов разрушает наш озоновый слой.

Применение парокомпрессионного холодильного цикла

Несмотря на свои преимущества и недостатки, парокомпрессионный холодильный цикл проложил путь для множества применений, которые мы видим в повседневной жизни. Вот некоторые из распространенных приложений, построенных на этой концепции.

Бытовое охлаждение для хранения продуктов питания, напитков, лекарств и т.д.
Пищевая промышленность
Холодильное хранение для сельскохозяйственной и пищевой промышленности
Промышленное холодильное оборудование для нагрева и охлаждения в различных производственных процессах
Криогенное охлаждение используется в аппаратах магнитно-резонансной томографии.
Кондиционирование воздуха в домах, офисах, транспортных средствах и различных отраслях промышленности.

Давайте решим примерную задачу, чтобы лучше понять эту концепцию.

Решенные примеры цикла охлаждения с компрессией пара

Пример 1. Жидкий хладагент нагревается до температуры $T_{1}$ и $T_{2}$ энтальпии 100 кДж / кг и 25 кДж / кг в парокомпрессионной холодильной системе. Определите скрытую теплоту хладагента, если доля сухости (в точке ‘а’) равна ‘0,5’.

Решение 1: Дано,

Энтальпия насыщенной жидкости при $T_{1}$ = h = 100 кДж / кг;

Энтальпия насыщенной жидкости при $T_{2}$ = $h_{f}$ = 25 кДж / кг;

Обратите внимание, что энтальпия жидкости при $T_{1}$ = энтальпия в точке ‘а’

$⟹$ Энтальпия при ‘a’ = 100 кДж / кг

Скрытое тепло можно рассчитать с помощью $h = h_{f} + x (h_{g} - h_{f})$

$⟹ 100 = 25 + 0.5 (h_{g} - 25) ⟹ h_{g}$ = 175 кДж / кг

Сейчас, $h_{g} - h_{f}$ = (175-25) = 150 кДж / кг (дополнительно)