CC BY
289
УДК 621.5.01
Зависимость показателей термодинамической эффективности цикла холодильного агрегата от температуры переохлаждения в теплообменнике
Александр Васильевич Максимов, к.т.н., доцент, каф. сервиса, e-mail: mavr300752@yandex.ru Вадим Вячеславович Коляда, к.т.н. доцент, каф. сервиса, e-mail: vadimko@list.ru Яна Александровна Сиротенко, аспирант, каф. сервиса, e-mail: jana.sirtenk@rambler.ru ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Приведены расчетные выражения для определения температур переохлаждения и перегрева хладагента; представлены графические зависимости, отражающие влияние температуры переохлаждения на такие показатели термодинамической эффективности теоретического холодильного цикла, как удельная изоэнтропическая работа компрессора, теоретический холодильный коэффициент и удельная массовая холодопроизводительность; показано, что при снижении температуры переохлаждения хладагента эффективность холодильного цикла повышается.
The article contains calculations for estimating temperatures of overcooling and overheating temperatures for cooling agent. The authors offer graphic dependences reflecting the influence of overcooling temperature on such indicators of thermodynamic effectiveness of theoretical refrigeration cycle as compressor's specific isentropic work, theoretical refrigeration efficiency and specific mass cold-productivity and show that refrigeration cycle effectiveness rises in lowered overcooling temperatures of cooling agent.
Ключевые слова: теоретический холодильный цикл, температура переохлаждения, удельная изоэнтропическая работа компрессора, теоретический холодильный коэффициент.
Keywords: theoretical refrigeration cycle, supercooling temperature, compressor’s specific isentropic work, theoretical refrigeration efficiency.
Увеличение холодопроизводительности бытовых компрессионных холодильников является в настоящий момент приоритетным направлением развития холодильной техники. Одним из способов достижения подобного результата может стать дополнительное переохлаждение хладагента в капиллярной трубке перед испарителем, за счет теплообмена с парообразным хладагентом во всасывающем трубопроводе [1].
Целью данной статьи является
выявление зависимости показателей термодинамической эффективности теоретического холодильного цикла от температуры переохлаждения в теплообменнике.
На рис. 1 представлены Т-Б- и Р-/-диаграммы теоретического холодильного цикла бытового компрессионного холодильника.
Линиям диаграмм соответствуют следующие процессы: 2-5 - кипение хладагента в испарителе; 5-6 - перегрев паров хладагента в теплообменни-
Рис. 1. Цикл холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника в диаграммах «давление - энтальпия» (Р-/) и «температура - энтропия» (Т-Б)
ке; 6-7 - адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре; 7-8 - охлаждение сжатых паров до температуры конденсации; 8-9 - конденсация хладагента в конденсаторе; 9-1 - переохлаждение жидкого хладагента; 1-3-4-2 - дросселирование в капиллярной трубке (3-1 - дросселирование при теплообмене с окружающей средой; 3-4 - дросселирование при рекуперативном теплообмене с всасываемыми парами хладагента; 4-2 - адиабатическое дросселирование). Также на рисунке приведены пограничные кривые: линия насыщенной жидкости, с паросодержанием х=0, и линия насыщенного пара, с паросодержанием х=1 [2].
Температура переохлаждения в точке 4 рассчитывается из уравнения теплового баланса теплообменника:
С
(1)
(3-4)
^6 —
(І3 ?4)С(3-4)
С
(2)
(5-6)
• удельную массовую холодопроизводительность д0, значение которой определяется как разность энтальпий в точках 5 и 2, соответствующих процессу кипения хладагента в испарителе:
% = ч-
• холодильный коэффициент теоретического холодильного цикла £:
е = qol I;. (5)
Результаты расчетов по определению влияния снижения температуры переохлаждения ^4 на изоэн-тропическую работу компрессора для хладогентов Я134а и Я600а при различных температурах кипения (^0) и конденсации (^к) отображены на рис. 2 и 3.
где С(3_4) и С(5-6) - средние удельные теплоемкости хладагента соответственно в капиллярной трубке и всасывающем трубопроводе, которые определяются по температурам соответствующих точек с помощью таблиц теплофизических свойств хладагента, с учетом температур кипения и перегрева всасываемых паров, и представляют собой средние значения теплоемкостей С3 и С 4, С 5 и С 6.
Из выражения (1) найдем температуру перегрева в точке 6:
При расчете температуры в точке 6 по формуле (2) можно воспользоваться методом итераций (последовательных приближений), суть которого заключается в вычислении нового приближения, исходя из предыдущего [3].
В ходе исследования влияния снижения температуры переохлаждения на термодинамическую эффективность цикла холодильного агрегата были произведены расчеты теоретического цикла для различных температур кипения и конденсации хладагентов. Результаты проведенных расчетов показали, что температура переохлаждения влияет на следующие показатели эффективности цикла:
• удельную изоэнтропическую работу компрессора 4, которая вычисляется как разность энтальпий в точках 7 и 6, соответствующих процессу сжатия паров хладагента в компрессоре:
4 = Ь - ч; (3)
53,9 52,8
40,8 39,8 38,9
29,4 28 7 27,9
55
45
35
25
-30
-25
-20
-15
а)
-10
-5
0
°С
63.8 62.6
49,2 49 47,9
1 1 1 37,9 > 37>‘ 36,3 ' 1
65
55
І5. ' ^
Ьй
45
35
-25
-20
-15
-10
б)
-5
5
°С
73Л
57,4
.56,8-------56,7-
'45,Г *—
44,4 —*—
44,2 —♦
80
70
50
40
-20
-15
-10
-5
5
°С
в)
■/„ = -20;
/„ = -30
Рис. 2. Изменение удельной изоэнтропической работы компрессора в зависимости от изменения температуры переохлаждения для хладагента Ш34а: а - Гк = 25°С; б - Гк =35°С; в - Гк = 45°С
7А у 2
5 й
^ 5.1
4Л А — 4 3,9
-30 -25 -20 -15 а) -10 -5 0
5^5 _5,3 5,2
Ч 11 4
3,3 ^ II
-25 -20 -15 б) -10 -5 0 V0
4,5 ■и 4,2
3,5 3,4 3,3
2,9 2,8
' —-^7
-30
-25
-20
-15
в)
-10
-5
-/„ = -20:
/„ = -30
Рис. 5. Изменение теоретического холодильного коэффициента в зависимости от изменения температуры переохлаждения для хладагента Я600а: а - Гк = 25°С; б - Гк =35°С; в - Гк = 45°С
хладагента Я134а в зависимости от изменения температуры переохлаждения в точке 4. При ее снижении энергетическая эффективность работы холодильного агрегата постепенно возрастает. Наименьших значений этот показатель достигает при температуре конденсации 45°С. В процентном выражении разница между значениями теоретического холодильного коэффициента при температурах конденсации 25°С и 45°С составила приблизительно 60...80%.
Разница между показателями теоретического холодильного коэффициента двух рассматриваемых хладагентов не велика, она составляет всего порядка 4...5%. Минимальное значение энергетической эффективности работы холо-
204,8 204,3
199,7 \/99 203,2
ч \ 197,7
х194,6 \j93.t
Ч ' '1<?2,1
210
205
200 *
195
190
-30
-25
-20
-15
-10
-5
/„°С
4198,3 197 ч ч 195,8
V 792,4 V 190.9
N. ,Ш,і\ 184,2
1 І І І 1
200
195
190
185
180
-20
-15
-10
-5
б)
199,5 199,1
• 198,2 \194Л\
Ч Ч792,9
* ч^7-4
205
200
195
190
185
-25
-15
-5
в)
■/„ = -20;
-/„ = -30
Рис. 6. Изменение удельной массовой холодопроизводительно-сти в зависимости от изменения температуры переохлаждения для хладагента Ш34а: а - Гк = 25°С; б - Гк =35°С; в - Гк = 45°С
дильного агрегата для хладагента Я600а (см. рис.5) также достигается при максимальном значении температуры конденсации 45°С. Но, несмотря на относительную близость указанных значений для Я134а и Я600а и разницу между минимальными значениями показателей теоретического холодильного коэффициента, составляющую около 8%, можно сделать вывод о более высокой энергетической эффективности работы холодильного агрегата при работе на хладагенте Я600а.
Рис. 7. Изменение удельной массовой холодопроизводительно-сти в зависимости от изменения температуры переохлаждения для хладагента Я600а: а - Гк = 25°С; б - Гк =35°С; в - Гк = 45°С
Последним исследуемым показателем стала удельная массовая холодопроизводительность ^0. Стоит отметить, что на вычисление этого показателя степень перегрева, определяемая положением точки 4, оказывает непосредственное влияние, так как удельная массовая холодопроизводительность рассчитывается как разность между энтальпией в конце и начале процесса кипения.
Значения холодопроизводительности можно считать определяющими в вопросе подтверждения эффективности холодильного цикла. По результатам расчета этого показателя для хладагентов Я134а и Я600 были построены графики, представленные на рис. 6 и 7.
Значения холодопроизводительности в случае хладагента Я134а изменялись в зависимости от изменения температуры конденсации и температуры кипения, достигая минимальных значений при температуре конденсации 45°С (см. рис. 6).
Наибольшие значения холодопроизводительности для хладагента Я600а (см. рис. 7) соответствуют минимальной температуре конденсации ^ = 25 °С и минимальной же температуре кипения ^0 = -30°С. После проведения сравнительного анализа видно, что удельная массовая холодо-производительность хладагента Я134а при повышении температур кипения и конденсации снижается в среднем на 2,4...2,6%, в то время как холодопроизводительность хладагента Я600а при повышении этих же параметров снижается на 1,5... 1,9%.
Таким образом, результаты проведенных исследований доказывают, что, несмотря на незначительное увеличение потребляемой мощности, общее влияние снижения температуры переохлаждения хладагента на работу холодильного цикла можно считать положительным, так как имеет место увеличение холодопроизводительности, которая является одним из важнейших показателей, характеризующих эффективность холодильного цикла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кошкин Н.Н. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Л.: Машиностроение. 1976.
2. Сумзина Л.В., Максимов А.В. Анализ потерь эксергии в цикле компрессионного бытового холодильника // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2012. Т. 8. № 1. С. 37 - 39.
3. Виленкин Н.Я. Метод последовательных приближений. М.: Наука. 1963.
4. Бабакин Б.С. Хладагенты, масла. Сервис холодильных систем. М.: ДеЛи принт. 2003.
Поступила 15.03.2012 г.
