Эффективность трансформации тепла и процессов системы охлаждения компрессора при дополнительном переохлаждении рабочего тела Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.311.22:621.57 (088)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛА И ПРОЦЕССОВ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПРЕССОРА ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИИ РАБОЧЕГО ТЕЛА

© 2008 г. А.В. Сухарников, Н.Н. Тропика, В.В. Левкин, А.Б. Сурмилова

В технологических процессах различных производств, например, в пищевой и медицинской промышленности, фармакологии и других, широкое применение находят различные типы охладителей. Наибольшее распространение получили охладители компрессионного типа с применением рабочих тел на основе фтор - хлорсодержащих веществ, называемых хладонами.

Энергетические затраты на процесс охлаждения определяются при прочих равных условиях степенью совершенства применяемых рабочих циклов. Снижение этих затрат достигается различными способами, повышающими энергетическую эффективность процессов охлаждения, в том числе переохлаждения рабочего тела и охлаждения компрессора.

Теоретические циклы охладителя компрессионного типа представлены на рисунке.

+T

Теоретические циклы охладителей компрессионного типа: 1-2-3а-4-5-6-6'-1 - исходный; 1-2-3-4-5-6-6'-1 - с изотермическим сжатием; 1-2-3а-4-5-9-9'-1 - с дополнительным переохлаждением рабочего тела; 1-2'-3а'-4-5-9-9'-1 - с дополнительным переохлаждением рабочего тела и охладителя компрессора

Экономия рабочего цикла 1-2-3а-4-5-6-7-1 соответствует площади 5-6-7' [1], а цикла 1-2-3а-4-5-6-9-8-1 -соответственно площади 5-9-10. Цикл 1-2-3-4-5-6-9-8-1 с дополнительным переохлаждением жидкости перед испарителем дает меньшие потери, чем цикл 1-2-3-4-5-6-7-1.

Ниже приводится анализ влияния дополнительного переохлаждения рабочего тела на величину удель-

ной холодопроизводительности и затрат электроэнергии на реализацию процесса.

Рассмотрим цикл 1-2-3-4-5-6-9-8-1, с дополнительным переохлаждением рабочего тела.

Удельная массовая холодопроизводительность определяется уравнением

Я 0и1 = Я 0и2 + ДЯ о ,

где я 0и1 - удельная массовая холодопроизводитель-ность рабочего тела в цикле с регенеративным теплообменником; Дя о - прирост массовой холодопроиз-водительности, обусловленный дополнительным переохлаждением рабочего тела.

Величина я0и2 определяется [1] так:

Я 0u 2 - r0 cx (T u1 T0)

(1)

где г0 - теплота парообразования рабочего тела; с х -удельная теплоемкость рабочего тела; Ти1 - температура переохлаждения рабочего тела в регенеративном теплообменнике; Т0 - температура кипения рабочего тела.

Значение Дя 0 выражается уравнением

ДЯ 0 = сХ (Ти1 - Ти2 ),

где Ти2 - температура рабочего тела перед испарителем в цикле с дополнительным переохлаждением. Введем обозначения разности температур:

T - Tu1 -ATuV

Т - Ти 2 =дТи 2,

где Т- температура конденсации рабочего тела.

Величины относительного переохлаждения жидкостей в циклах с регенеративным теплообменником 0 и1 и дополнительным переохлаждением рабочего тела 0 и 2 могут быть представлены в виде

й - ATu1 и й - ATu2

й u1 - - И й u 2 -

T - T0

u2

T - T0

Вводится понятие «остаточной относительной доли переохлаждения жидкости» 0 . При этом

© 1 = 1 -© u1 _ 1 ATu1 T - T с _ 1 - T " T - Tu1 T _ Tu1 TC . T - T с '

© 2 = 1 -© u 2 _ 1 ATu 2 T - T с _ 1 -T-T ~Tu 2 - T с Tu 2 - TC T - T с

B K -1 + ©,

Уравнение (1) может быть представлено в виде r0

q 0u 2 = С' х (T - T с)

Выражение

Tu 2 T с

гс

c'x (T - T0) T - T0

представляет собой вели-

e „, =

K-©i To

M T - T

KI I с 2

(2)

При дополнительном переохлаждении рабочего тела величина е,, 2

K-©2 To

K - M T - To 2

(3)

T _-

T + T 0

2

В соответствии с уравнениями (2) и (3):

K-1 +©ui To . = Ae„;

K--

2

K -1 + © u

K - M 2

M T - T0

T - T с

_ Be,

(4)

(5)

где е c - холодильный коэффициент цикла Карно.

K -1 + ©

„ K -1 +©u1 При этом A _-—uL;

K - M 2

B=

u2

K - M 2

с'х(Т - То)

чину критерия К, характеризующего влияние физических свойств применяемого рабочего тела на характеристики термодинамических циклов. С учетом сказанного

9 о„1 = Сх (Т - Т о)( К-©,).

Соответственно

90и2 = сX(Т - То)(К -©2).

Теоретическая работа циклов 1-2-3-4-5-9-9' -1 и 1-2-3-4-5-6-6'-1 будет эквивалентна площади 0-1-2-3-45-0 [2].

Холодильный коэффициент е и1 с дросселированием после предварительного переохлаждения в регенеративном теплообменнике [2]:

где М представляет собой отношение ^m ■ Величина

Л K - 1+©в1

Сравнение холодильных коэффициентов е u1 и е и 2 показывает, что при дополнительном переохлаждении рабочего тела е и2 ^ е и1 и, соответственно, меньше расход электроэнергии.

Известно, что циклы 1-2-3-4-5-9-8-1 и 1-2-3-4-5-6-7-1 могут быть обратимыми при наличии двух источников отвода тепла, соответствующих термодинамическим процессам 3-4 при T = const и 5-9 с температурой, изменяющейся от T до Tu1 и от T до Tu 2 [2].

Поэтому степень обратимости цикла с переохлаждением рабочего тела не подчиняется известному выражению, определяемому отношением его холодильного агента, к холодильному коэффициенту е c цикла Карно.

Цикл из двух изотерм T = const и T0 = const и адиабаты S = const, где источник отвода тепла характеризуется изменяющимися температурами, необратим и не может служить критерием для сравнения [2].

Обратимыми для рассматриваемых условий являются циклы 1-2-3-4-5-7-1 и 1-2-3-4-5-9-8-1, холодильные коэффициенты которых е 0u1 и е 0u 2 и должны служить критериями для оценки величины необратимых потерь и затрат электроэнергии на процесс.

Степень обратимости цикла с предварительным охлаждением жидкости в регенеративном теплообменнике

^ е «1 П1 =-.

е 0u1

При дополнительном переохлаждении рабочего тела

П = е «2 п 2 = .

Величины п 1 и п 2 зависят также от значений величин К и Ми от степени переохлаждения рабочего тела © 1 и © 2.

В цикле с переохлаждением рабочего тела от Т до Т0 величины © 1 и © 2 равны единицы.

При анализе термодинамических циклов охладителей компрессионного типа возможны два варианта: 1) цикл без переохлаждения жидкости: © и1 и

©

u2

равны нулю, а © 1 = 1 и © 2 = 1

(е и 2 =е и1> П1 = п 2);

2) цикл с полным переохлаждением жидкости до величины температуры кипения Т0: в этом случае

© и1 и © и2 равны единице, а © 1 и © 2 - нулю.

Во втором случае степень обратимости цикла ПЭи1,2 равна 1 и холодильный коэффициент е и12

определяется из выражения

K

T с

K

M T - T K - — 1 1 с

k - m 2

e

С использованием формул (4) и (5) определяются степени обратимости:

а) цикла с охлаждением рабочего тела в теплообменнике

П1 = —

T0

е =-

Отсюда следует

П1 =

K-Qi Tui - To

K - M T - To 2

T u1 T0

K^ в i;

K - M " 2

б) соответственнго цикла с дополнительным переохлаждением рабочего тела

K-©2 Tu2 - To K-©2 -п 2 =-- —u2—- =-- © 2 .

M T - T K- — 1 1 о

2

k - m 2

Площадь 1-2'-3' а-4-5-9-9'-1 = пл. 1-2-3а-4-5-9-9'-1 -пл 2' -2- 3а-3'а = 1ц, где 1ц - удельная работа, затрачиваемая в цикле с охлаждением компрессора. Холодильный коэффициент этого цикла

i1 -/с

е 3 =■

l ц

пл. 1 - 2' - 3'а - 4 - 5 - С - С' -1

^ е ,, 2 >- е,

Расчеты показывают, что введение дополнительного переохлаждения рабочего тела в охладителе позволяет достичь 15 % экономии электроэнергии при снижении коэффициента рабочего времени на 15-20 % за счет роста удельной массовой холодопроизводи-тельности рабочего тела.

При охлаждении компрессора снижается подогрев всасываемого пара до начала сжатия (т. 2' ) и процесс сжатия следует по линии 2' -3 'а (S = const). Это приводит к экономии удельной работы в цикле, эквивалентной соответствующим затратам мощности и потребляемой электроэнергии в соответствии с площадью 2' -2-3а-3 'а (кДж/кг).

где г г и г 9 - соответственно теплосодержания в ре-перных точках цикла 1 и 9 .

Затраты мощности в цикле N = Iц, где Оа - производительность компрессора.

По результатам экспериментальных исследований снижение потребляемой мощности достигает 8 % при росте холодопроизводительности на 15-20 % в системе с охлаждением цилиндра.

В целом, суммарная экономия расхода электроэнергии при дополнительном переохлаждении рабочего тела и охлаждении цилиндра компрессора достигает 25-30 % при соответствующем росте его производительности и снижении коэффициента рабочего времени.

Литература

1. Якобсон В.Б. Малые холодильные машины М., 1977.

2. Холодильные машины / Под ред. Н.Н. Кошкина. М., 1973.

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты 17 декабря 2007 г.