Простейшая машина
Схема воздушной холодильной машины, работающей по простейшему циклу, изображена на рис. 18.1. Один из уровней давления в воздушной машине всегда соответствует атмосферному (0,1 МПа), второй - традиционно не превышает критического ркр-Ъ МПа, что соотве тствует Гкр=160К.
Воздух в состоянии точки 1 (Тхол<Тср,, /?у=0,1МПа) выходит из рефрижератора (охлаждаемого объема) и направляется в компрессор, где адиабатно сжимается до давления р2, при этом температура воздуха повышается от Ті до Г2. В теплообменнике (охладителе) воз-
ТО z
А)
И |
Рис. 18.1. Простейшая воздушная холодильная машина (силуэт самолета изображен как пример крупного объекта охлаждения): а) схема; б) цикл
Дух изобарно охлаждается до Т3=Тср. Далее, воздух поступает в детандер, где адиабатно расширяется до температуры Т4.
Для случая, изображенного на рис.18.1, теплообменной поверхностью рефрижератора является вся внутренняя поверхность ангара и объект охлаждения (например, самолет). Давление в рефрижераторе /?/=0,1МПа.
Процесс производства холода осуществляется при переменной температуре от Т4 (минимальной температуры после детандера) до Т]-Тхол (максимальной температуры в охлаждаемом объеме).
Удельная массовая холодопроизводительность воздушной холодильной машины определяется как
Q0=h,-h4=cp{T,-T4) (18.1а)
Или в графическом выражении
Q0 = пл. (a-l-4-b). (18.16)
Работа, затрачиваемая в цикле воздушной холодильной машины (wvacM), определяется как разница между работой, потребляемой компрессором wm и работой, произведенной детандером (мд)
"W =WKM ~W/I =(Л2-h,)-{h3-h4) =
= cp{T2-T,)-cp{T3-T4)
(18.2а) |
Или |
(18.26) |
"чшш = пл.( 1 -2-е )-пл.( 3 -4 — с ) = = пл.( 1-2-3-4),
Работа цикла м? цикла и есть работа, затрачиваемая электродвигателем.
СОР воздушной холодильной машины определяется как
Rp rrt
СОР = = 7----------------------------------- г. (18.3)
Пцшсма Т2 - Tl)'iT3 ~Т4)
Величина удельной теплоемкости воздуха ср в диапазоне реальных рабочих температур работы воздушной холодильной машины (теплового насоса) колеблется в пределах, не превышающих 1%, в связи с чем эту величину можно считать постоянной.
СОР соответственного цикла Карно[51] и степень термодинамического совершенства для работы в режиме холодильной машины обычно определяются как
СОРКарио= Т™ , (18.4)
Ср 1 ХОД
И
Vcmc = СОР ' (18.5)
Feme r*nV>
Карно
В соответствии с «методом циклов», определение эффективности воздушной машины по ур.(18.4)-(18.5) является устаревшим, так как цикл-образец Карно как должен быть заменен циклом - образцом Джоуль, тогда
ГрШ
Ср хол
И
С0Р ПС -74
Vcmc =—----------- • (18.7)
Джоуль
Расчет воздушной холодильной машины проводят аналитическим методом по уравнениям термодинамики для идеального газа, в связи с чем значения температур используют только в абсолютных величинах. Построение цикла в диаграмме состояний T-s носит исклю-
Таблица 18.1
|
Чительно иллюстративный характер, а диаграмма lgp-h для расчета воздушной холодильной машины вообще не применяется.
В воздушной холодильной машине (тепловом насосе) большую роль играет выбор величины отношения давлений тс=р]/р2. Функция СОР является функцией основных температур работы машины Тхол и Тср, а также ж. В отличие от парокомпрессорных машин, функция СОР для воздушных машин имеет максимум. В качестве примера в таблице 18.1 приведены результаты расчета основных характеристик цикла воздушной холодильной машины, работающей по простейшему циклу при р7=0,1 МПа, 7> -10°С, 7> 20°С. Поскольку расчеты были выполнены для теоретической машины, то величина tJctc» рассчитанная по ур.(18.7), для каждого варианта имеет значение JJctc^ 1-
В реальных условиях эксплуатации встречаются случаи, когда Ткам совпадает с Т4, тогда цикл превращается в линию и q0 - 0. Таким образом можно сделать вывод, что простейший цикл не универсален, несмотря на возможность широкого изменения величины п. Для работы в таких температурных режимах необходимо изменить цикл, по которому будет работать воздушная машина.
Итак, впервые на примере воздушной машины продемонстрировано, что выбор цикла и схемы машины является функцией оптимизации от исходных данных при создании машины.