Расчет энергетических потерь цикла холодильной машины в зависимости от величины перегрева рабочего тела в испарителе

УДК 621.514

А. М. Ибраев, М. С. Хамидуллин, И. И. Шарапов, Р. Д. Шарапова

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЦИКЛА ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЕЛИЧИНЫ ПЕРЕГРЕВА РАБОЧЕГО ТЕЛА В ИСПАРИТЕЛЕ

Ключевые слова: холодильная машина, перегрев на всасывании, хладагент, теоретический цикл.

В статье приведены результатырасчета энергетических потерь теоретического цикла с перегревом рабочего тела в испарителе для различных хладагентов. Получены графические зависимости величин потерь от величин перегрева рабочего тела, температурных границ холодильного цикла.

Keywords: refrigerating machine, suction superheat, refrigerant theoretical cycle.

The paper presents the results of a calculation of the energy loss of the theoretical cycle with superheat the working fluid in the evaporator for different refrigerants. Graphics obtained dependences of the heat losses from the values of the working fluid, the temperature limits of the refrigeration cycle.

Перегрев на всасывании компрессора паро-компрессионной холодильной машины (ПХМ) является одним из процессов, имеющих место в теоретическом цикле, в отличие от идеального цикла[1, 2, 3, 4]. Перегревнеобходим для обеспечения его «сухого хода», т.е. отсутствия на всасывании компрессора капельной жидкости. Перегрев хладагента на всасывании может происходить несколькими способами: за счёт подвода теплоты от холодного источника в испарителе, подвода теплоты от внешней среды (во всасывающем трубопроводе, от обмоток электродвигателя безсальникового компрессора), в результате регенеративного теплообменамежду потоками хладагента[1,2,3].

Наличие процесса перегрева вносит дополнительную работу, связанную с необратимостью

этого процесса (первичные потери Д!вс). Кроме то-

го,увеличение перегрева на всасывании приводит к

T

Тх То

а б в г з

Рис. 1 - К рассмотрению влияния перегрева на всасывании на работу цикла ПХМ

росту величины потерь от перегрева на нагнетании (вторичные потери Д!в с).

Ранее был выполнен анализ процесса перегрева хладагента за счёт теплообмена с холодным источником в испарителе [2]. На основе термодина-

мического анализа теоретического цикла пароком-прессионной холодильной машины с перегревом на всасывании получены аналитические зависимости для определения первичных и вторичных энергетических потерь от перегрева. Данные зависимости устанавливают связь между величинами указанных потерь и теплофизическими свойствами рабочего тела, а так же температурными границами холодильного цикла.

Дополнительная работа (первичные потери) теоретического цикла с перегревом на всасывании

соответствуют площадке 1 - 2 - 2 -1 -1 (рис. 1) иопределяется из соотношения[2]:

А|вс - Тг' cp0

( (

In

V v

1+

АТв,

Тх "©и

АТв,

Тх

,

где ДТвс - величина перегрева рабочего тела на всасывании.

Величина вторичных потерь не зависит от того, за счёт какого из тепловых источников был осуществлен перегрев на всасывании. Вторичные потери иллюстрируются площадкой

2 " 2 " 2 " 2 " 2

ния[2]:

и определяются из соотноше-

(

с Тк "Т0 + 1 с ln сх—Т-+ 2СР0 '|П

v

х ^ Тк 'In

Ср к

Т0

(1 + АТвс '

( АТ ^

V

Т

0

V

Т0

Ниже приведены результаты расчёта энергетических потерь от перегрева по уравнениям (1) и (2). Расчёт проводился при фиксированных величинах температур конденсации и кипения Тк = 30°С и То = -30°С .Температурный напор в испарителе был принят: ©и = Тх - То = 15°С .

На рис. 2 приведены зависимости величин первичных потерь Д!вс , рассчитанных по уравнению (1), для различных хладагентов для рядазначенийве-личин перегрева. С ростом величины перегрева ДТвс первичные потери возрастают. Наибольшие

*

х

потери Д!вс характерны для аммиака, т.к. он обладает большими значениями теплоёмкости Сро. Для

хладонов величины первичных потерь находятся в достаточно узком диапазоне 0,2 ^ 0,4 кДж / кг.

На рис. 3 приведена зависимость величин вторичных потерь Д!вс , рассчитанных по уравнению

(2), для различных хладагентов. Здесь наблюдается та же закономерность, однако величины вторичных потерь превосходят величины первичных потерь.

Рис. 2 - Первичные потери цикла с перегревом на всасывании для хладонов и аммиака

ДГ'вс, кДж/кг

10,5

7,5

4,5

1,5

1 Р?717

Р?404а \

\ П2

т34а / Р!407а

10

12 14 йТвс,°С

Рис. 3 - Вторичные потери цикла с перегревом на всасывании для хладонов и аммиа-ка

На рис. 4представлены зависимости коэффициента обратимости "лпер циклов с перегревом в

испарителе от величины перегрева ДТвС для исследованных хладагентов. Коэффициент обратимости определяетсяиз соотношения[1]:

"пер

=1-

!т +Д!вс +Д!вс )

где !т - работа теоретического цикла со сжатием в области перегретого пара(пл.

I * I

4 - 3 - 2 - 2 -1 - 4 )[1]:

!т = !ид + Д!пер =

"Лпер

0,99

— + ДБ V Тк ,

' (Тк -Т0) +1 • —• Тк,(4) 2 еп

ю

12

14 йТвс,°С

Рис. 4 - Зависимость коэффициента обратимости Лпер циклов с перегревом в испарителе от величины перегрева ДТвс

Таким образом, выполнен расчётный анализ влияния теплотехнических свойств хладагента, температурных границ цикла на величины энергетических потерь, вызванных перегревом хладагента в испарителе.

Анализ показал, что увеличение перегрева на всасывании всегда приводит к увеличению потерь от перегрева и снижению коэффициента обратимости. Однако следует оговориться -эти энергетические потери до определенных пределов могут быть компенсированы улучшением энергетических показателей работы компрессора холодильной машины и улучшением условий его эксплуатации. Однако поиск оптимальной величины перегрева на основе технико-экономических показателей выходит за пределы той задачи, которая ставится в настоящей статье.

Из полученных результатов следует, что перегрев на всасывании приводит к появлению первичных энергетических потерь, которые связаны с теплообменном при конечной разности температур в испарителе, и вторичных потерь от перегрева на нагнетании.

Величина вторичных потерь в целом выше, чем величина первичных потерь.

При сравнении применяемых в настоящее время холодильных агентов следует отметить, что наибольшей величиной потерь обладает аммиак, в то время как уровень потерь у хладонов заметно ниже. Наиболее объективная картина складывается при анализе изменения коэффициентов обратимости от величины перегрева на всасывании.

Здесь разница между аммиаком и остальными хладонами не столь велика, как при сравнении абсолютных величин потерь, что объясняется большой величиной теплоты парообразования и удельной холодопроизводительности у аммиака. На этом графике (рис.4) хорошо дифференцируются уже все

Д!вс +Д!

холодильные агенты и здесь можно отметить кроме аммиака еще и И22. Для данных холодильных агентов величину перегрева на всасывании, при проектировании холодильной машины, следует выбирать меньшую, чем для остальных рассмотренных хла-донов.

Литература

1. Ибраев,А.М.Теоретические основы холодильной техники : монография /А.М. Ибраев, А.А. Са-гдеев. - Нижнекамск: Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 2012. - 124с.

2. Ибраев, А. М. Анализ энергетических потерь парокомпрессионной холодильной машины,

связанных с процессом перегрева рабочего тела в испаретеле /А.М. Ибраев, М.С. Хамидуллин, И.И. Шарапов, Р.Д. Шарапова // Вестник Ка-зан.технол. ун-та. - 2013. - Т.16. №21. - С. 238241.

3. Розенфельд, Л.М. Холодильные машины и аппараты / А.Г. Ткачев // М.: Государственное издательство торговой литературы. 1960.

4. Ибраев, А.М.Влияние потерь от дросселирова-нияна эффективность работы парокомпрессион-ных холодильных машин /А.М. Ибраев, М.С. Хамидуллин, Т. Н. Мустафин // Вестник Ка-зан.технол. ун-та. - 2013. - Т.16. №20. - С. 240242.

А.М. Ибраев - к.т.н., доцент кафедры «ХТиТ» КНИТУ, ami_kstu@rambler.ru; М.С. Хамидуллин - к.т.н., доцент кафедры той же кафедры, mcx_kstu@mail.ru; И.И. Шарапов - к.т.н., доцент кафедры той же кафедры, irek_kstu@rambler.ru; Р. Д. Шарапова - магистр той же кафедры.

A.M. Ibraev - Ph.D., AssociateProfessor, Departament Refrigeration equipment and technologies, KNRTU, ami_kstu@rambler.ru; M.S. Khamidullin - Ph.D., AssociateProfessor, Departament Refrigeration equipment and technologies, KNRTU, mcx_kstu@mail.ru; 11 Sharapov - Ph.D., AssociateProfessor, Departament Refrigeration equipment and technologies, KNRTU, irek_kstu@rambler.ru; R. D. Sharapova - student, Departament Refrigeration equipment and technologies, KNRTU.