Искусственное охлаждение. Структурные схемы холодильных машин. Глубокое охлаждение, страница 5

                                                  .                                                 (44.1)

Общее количество теплоты q, отдаваемой в окружающую среду (охлаждающей воде), эквивалентно площади фигуры 1–2–3–4–6–1 и равно

                                     ,                                    (44.2)

где l_ид – внешняя удельная работа, совершаемая в идеальном цикле, Дж/кг.

Работа l_ид эквивалентна площади фигуры 1–2–3–5–1 и равна

                             .                            (44.3)

Из уравнения (44.3) и рис. 44.6 следует:

1. Снижение температуры расширяемого газа Т₁ позволяет заметно уменьшить затрачиваемую работу l_ид при незначительном снижении хладопроизводительности цикла.

2. Частичная или полная замена теоретического изоэнтропного расширения реальным политропным или изоэнтальпическим (дросселирование) приводит к смещению т. 3 (см. рис. 44.6) по изотерме испарения вправо, что означает существенное уменьшение хладопроизводительности цикла.

Из сформулированных следствий вытекают возможность и направления поиска наиболее рациональных схем холодильных машин для различных конкретных условий их работы. Некоторые схемы в качестве примера приведены на рисунках ниже.

Цикл высокого давления с однократным дросселированием (цикл Линде). Исходный газ с параметрами р₁, t₁, i₄ (т. 1) (см. рис. 44.7) сжимается в компрессоре I до давления р₂ и одновременно охлаждается в холодильнике II до исходной температуры Т₁, что позволяет считать процесс сжатия (отрезок 1–2) изотермическим. Сжатый газ высокого давления с параметрами р₂, Т₁, i₂ (т. 2) направляется в противоточный регенеративный теплообменник III, где отдает свое тепло газу низкого давления с параметрами р₁, Т₀, прошедшему через дроссель IV. Этот процесс (отрезок 2–3) обеспечивает постепенное снижение температуры газа высокого давления до значения Т₃ и одновременное повышение температуры газа низкого давления до температуры Т₁.

При достижении эффекта сжижения доли n циркулирующего в тракте машины газа на вход в компрессор подается свежий газ в количестве, равном массе сжиженного газа, который отводится из сборника V. С этого момента холодильная машина начинает работать в установившемся режиме.

Из рис. 44.7 следует, что чем ниже располагается на изобаре р₂ точка 3, тем большею в процессе дросселирования при i₃ = i₄ (отрезок 3–4) устанавливается доля сжиженного газа n (отрезок 4–5), тем больше хладопроизводительность цикла.

В отсутствие теплообменника III точка 3 на диаграмме совпадает с точкой 2, точка 4 оказывается на изобаре р₁ в области перегретого пара и становится очевидным, что для получения эффекта сжижения газа давление р₂ должно увеличиваться. Расчеты показывают, что для различных газов это давление лежит в области р₂ = 2·10⁴ ÷ 5·10⁴ МПа, что недостижимо в установках промышленного масштаба.

Рисунок 44.7 – Регенеративный цикл высокого давления
с однократным дросселированием (цикл Линде):
а – принципиальная схема установки; (I – компрессор; II – холодильник компрессора;
III – регенеративный теплообменник; IV – дроссель; V – сборник жидкого продукта);
б – изображение цикла на энтропийной диаграмме Т–S (1…5 – характерные точки цикла)

Из теплового баланса теоретического цикла с изоэнтальпическим расширением холодопроизводительность q₀ составит:

                                                  .                                                 (44.4)

В действительном цикле эта величина составит соответственно:

                                          ,                                         (44.5)

где  – сумма тепловых потерь, связанных с недорекуперацией холода в теплообменнике ІІІ и потерями тепла в окружающую среду.