Зависимость показателей термодинамической эффективности

МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
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: [email protected]
Вадим Вячеславович Коляда, к.т.н. доцент, каф. сервиса, e-mail: [email protected]
Яна Александровна Сиротенко, аспирант, каф. сервиса, e-mail: [email protected]
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].
Ц е л ь ю д а н н о й с т а т ь и является
выявление зависимости показателей термодинамической эффективности теоретического холодильного цикла от температуры переохлаждения в теплообменнике.
На рис. 1 представлены T–S- и P–i-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» (P–i) и
«температура – энтропия» (T–S)
60
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
Зависимость показателей термодинамической эффективности цикла холодильного агрегата от температуры…
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:
C(5−6) (t6 − t5 )
(1)
t4= t3 −
,
C(3− 4)
●
удельную массовую холодопроизводительность
q 0 , значение которой определяется как разность
энтальпий в точках 5 и 2, соответствующих
процессу кипения хладагента в испарителе:
q0= i5 − i2 ;
(4)
●
холодильный коэффициент теоретического
холодильного цикла ε:
ε = q0 / ls .
(5)
Результаты расчетов по определению влияния
снижения температуры переохлаждения t 4 на изоэнтропическую работу компрессора для хладогентов
R134a и R600a при различных температурах кипения
(t 0 ) и конденсации (t k ) 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 С 3 и С 4 , С 5 и С 6 .
Из выражения (1) найдем температуру перегрева в точке 6:
(t3 − t4 )C(3− 4)
(2)
t6
=
+ t5 .
C(5−6)
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 l s , которая вычисляется как разность энтальпий в точках 7 и 6, соответствующих процессу сжатия паров хладагента в компрессоре:
ls= i7 − i6 ;
(3)
Рис. 2. Изменение удельной изоэнтропической работы компрессора в зависимости от изменения температуры переохлаждения
для хладагента R134a: а – t k = 25°С; б – t k =35°С; в – t k = 45°С
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
61
Зависимость показателей термодинамической эффективности цикла холодильного агрегата от температуры…
Рис. 5. Изменение теоретического холодильного коэффициента
в зависимости от изменения температуры переохлаждения для
хладагента R600a: а – tk = 25°С; б – tk =35°С; в – tk = 45°С
хладагента R134a 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-
Рис. 6. Изменение удельной массовой холодопроизводительности в зависимости от изменения температуры переохлаждения
для хладагента R134a: а – tk = 25°С; б – tk =35°С; в – tk = 45°С
дильного агрегата для хладагента R600a (см.
рис.5) также достигается при максимальном значении температуры конденсации 45°С. Но, несмотря на относительную близость указанных
значений для R134a и R600a 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 R600a.
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
63
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
Значения холодопроизводительности можно
считать определяющими в вопросе подтверждения
эффективности холодильного цикла. По результатам расчета этого показателя для хладагентов
R134a и R600 были построены графики, представленные на рис. 6 и 7.
Значения холодопроизводительности в случае
хладагента R134a 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 R600a (см. рис. 7) соответствуют минимальной температуре конденсации t k = 25°С и минимальной же температуре кипения t 0 = –30°С. После проведения сравнительного анализа видно, что удельная массовая холодопроизводительность хладагента R134a при повышении температур кипения и конденсации снижается в среднем на 2,4…2,6%, в то время как холодопроизводительность хладагента R600a 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.
Рис. 7. Изменение удельной массовой холодопроизводительности в зависимости от изменения температуры переохлаждения
для хладагента R600a: а – tk = 25°С; б – tk =35°С; в – tk = 45°С
Последним исследуемым показателем стала
удельная массовая холодопроизводительность q 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.
64
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Кошкин Н.Н. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Л.: Машиностроение. 1976.
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.
Виленкин Н.Я. Метод последовательных приближений.
М.: Наука. 1963.
Бабакин Б.С. Хладагенты, масла. Сервис холодильных
систем. М.: ДеЛи принт. 2003.
Поступила 15.03.2012 г.
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.