Возможность приблизить экономичность холодильной установки к экономичности цикла Карно в интервале температур холодного тела и окружающей среды появилась с получением рабочих тел, имеющих низкие температуры фазового перехода из жидкости в пар. К таким веществам относятся различные фторхлоруглеводородные соединения, называемые фреонами. Для таких веществ можно осуществить холодильный цикл в области влажного насыщенного пара (рис. 10.8).
Однако реализация цикла 1-2-3-а, соответствующего циклу Карно, невозможна по причине технического ограничения адиабатного процесса расширения рабочего тела при его фазовом переходе из жидкости в пар (процесс 3-а). При таком фазовом переходе ни поршневой, ни проточный детандеры работать не будут (они быстро разрушаться по причине резкого изменения объема рабочего тела и наличия большого количества капельной влаги). Поэтому адиабатный процесс расширения рабочего тела (3-а) в паро-компрессорных холодильных установках (ПКХУ) заменили процессом дросселирования (3-4), и вместо детандера установили редуктор (дроссельный клапан). Установка редуктора снизит величину q2 и увеличит затраты работы на реализацию цикла 1-2-3-4-1 по отношению к циклу Карно 1-2-3-а-1. Однако установка получается простой, надежной и
 |
достаточно экономичной (рис.10.9).
 |
Методика расчета идеального цикла ПКХУ
Удельная работа компрессора ПКХУ определяется выражением
. (10.17)
Удельная теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как
. (10.18)
Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается исходя из равенства энтальпий в процессе дросселирования h3=h4
. (10.19)
Удельная работа, затраченная на реализацию обратимого цикла ПКХУ, равна работе компрессора
. (10.20)
Холодильный коэффициент ПКХУ соответствует выражению
. (10.21)
Реальный цикл ПКХУ
В реальном цикле ПКХУ начало процесса сжатия рабочего тела (точка 1) смещается в область допустимых начальных влажностей, что диктуется требованием надежной работы первых ступеней компрессора (х1доп=0,88). В результате этого завершение процесса 12’ осуществляется в области перегретого пара (рис.10.10). Такое смещение процесса сжатия приводит к увеличению затрат работы на привод компрессора и, соответственно, к снижению холодильного коэффициента ПКХУ.
Для увеличения экономичности реальной ПКХУ в ее холодильную камеру направляют только жидкую фазу рабочего тела. При этом происходит увеличение удельной холодопроизводительности q2 и, соответственно, уменьшение размеров холодильной камеры. Направление жидкой фазы рабочего тела в холодильную камеру ПКХУ обеспечивает сепаратор, установленный после редуктора (рис. 10.11). Смесь жидкой и паровой фаз рабочего тела, выходящая из холодильной камеры, снова поступает в сепаратор. Из сепаратора пар с допустимой степенью сухости направляется в компрессор. Между сепаратором и холодильной камерой циркулирует часть рабочего тела (отсепарированная жидкая фаза). Обозначим относительную долю этого рабочего тела как aс, приняв за единицу
 |
(a=1) относительный расход рабочего тела через компрессор.
Величина aс определяется исходя из того, что количество сухого насыщенного пара на входе и выходе из сепаратора одинаково. На основании этого материального баланса сепаратора записывается равенство
, (10.22)
где х1, х4 и х6 – степени сухости фреона на выходе из сепаратора, редуктора и холодильной камеры соответственно.
Из уравнения (10.22) получаем величину aс при известных степенях сухости х1, х4 и х6
. (10.23)
Удельная работа компрессора ПКХУ определяется выражением
, (10.24)
где 
– адиабатный коэффициент компрессора.
Удельная теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как
. (10.25)
Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается исходя из процесса 5-6 в холодильной камере и количества фреона, проходящего через нее
. (10.26)
Удельная работа, затраченная на реализацию реального цикла ПКХУ, равна работе компрессора
. (10.27)
Холодильный коэффициент реальной ПКХУ соответствует выражению
. (10.28)
Холодильный коэффициент реальной ПКХУ в несколько раз выше, чем у ВХУ. При этом ПКХУ требует на порядок меньший расход рабочего тела и эффективный процесс теплопередачи в холодильной камере, что делает ее компактной. Большинство бытовых холодильников выполнены по принципу ПКХУ.
