ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Воздушные холодильные машины (ВХМ) наиболее полно соответствуют требованию экологической безопасности. В настоящее время ВХМ находят применение в тех случаях, когда использование других способов получения холода недопустимо или нецелесообразно. Они используются в качестве источника холода в хранилищах крови и ее компонентов, в климатических камерах испытательных стендов тепловых двигателей, в технологических установках, где рабочей средой является воздух и ряде других случаев.

Кроме того, имеется область техники, где применение воздушно–холодильных машин, как способа получения холода, является единственно возможным – системы обеспечения жизнедеятельности в авиационной технике, являющиеся одной из наиболее энергоемких систем.

Одной из проблем современной авиационной техники является разработка системы кондиционирования воздуха (СКВ) для уменьшения приведенной взлетной массы системы. Решение этой проблемы для современных СКВ найдено в применении ступенчатого сжатия и регенерации на базе ВХМ.

Тематика применения воздушных холодильных машин является достаточно актуальной, несмотря на некоторые недостатки данных машин.

Рассмотрим положительные и отрицательные стороны использования воздушных холодильных машин. Ощутимыми недостатками являются повышенная энергоемкость и значительный шум. Так же к изъянам можно отнести большую первоначальную стоимость, возможность резких колебаний давления конденсации при изменении температуры наружного воздуха, низкую термодинамическую эффективность цикла, низкую удельную хладопроизводительность, сложность конструкции детантера, необратимость в детандере, приводящая к потере холода с низкой температурой. Принципиальным недостатком является то, что в идеальном цикле учитывается только внешняя необратимость, которая получается из–за изменения температуры воздуха в процессах подвода и отвода тепла.

К положительным сторонам можно отнести возможность неограниченного потребления воздуха, использование при изготовлении более простых и дешевых материалов, отсутствие накипи, коррозии и загрязнений на теплообменной поверхности, низкие эксплуатационные расходы, а также расходы на ремонт и очистку поверхности, исключение случаев замерзания воды в аппарате и трубопроводах. В системах с воздушными турбохолодильными машинами капитальные и эксплуатационные затраты (кроме затрат на оплату энергии) достаточно малы, по сравнению с обычными системами. Основное преимущество – это безвредность и работа в открытом цикле без ограничений.

Проанализируем возможность повышения эффективности работы ВХМ за счет применения регенеративного обратимого цикл  установки (рис.1).

 а                                                                 б  

Рисунок 1. Схема и термодинамический цикл регенеративной воздушной холодильной машины:

I – детандер; II – теплообменник холодильной камеры; III – компрессор; IV – атмосферный охладитель; V – регенеративнй теплообменник

В данной схеме вводится регенеративный теплообмен между воздухом высокого давления перед детандером и воздухом низкого давления за холодильной камерой. Процесс теплообмена происходит в регенеративном теплообменнике V.

Работа холодильных машин оценивается холодильным коэффициентом, который равен отношению отведенной теплоты к затраченной на это работы. Холодильный коэффициент характеризует термодинамическую эффективность цикла.

Стоит отметить, что действительная мощность, затрачиваемая компрессором, значительно больше теоретческой из–за разнообразных потерь. Если сравнить систему, использующую фреоновые холодильные машины, и систему с воздушными машинами, будет видно, что последние системы имеют перерасход энергии в 1,2–3,3 раза за счет внешней и внутренней термодинамической необратимости процессов в обратном газовом цикле (за счет несовершенства процессов сжатия и расширения).

Во многих установках сжатый воздух охлаждается водой с более низкой температурой, чем температура окружающего воздуха. Из–за осушения воздуха можно существенно увеличить полезную хладопроизводительность воздушного цикла, а также уменьшить затраты энергии на производство холода и на перекачку воды.

Для получения сопоставимых условий предполагаем, что цикл без регенерации (1–2–3–4–1) и регенеративный цикл (1’–2’–3’–4–1’) реализуются при одинаковой температуре источников () и одинаковой удельной холодопроизводительности (процесс 4–1) [1].

Искомые сравнительные характеристики: мощность компрессора , мощность детандера , холодильный коэффициент , эксергетический КПД установки по хладагенту , эксергетический КПД установки по хладоносителю .

Примем температуру окружающей среды равной 25ºС, холодопроизводительность , давление воздуха перед компрессором , температурный уровень получаемого холода , внутренний индикаторный КПД компрессора и детандера , электромеханический КПД машин , минимальный температурный напор в охладителе  и в холодильнике , разность температур на теплом конце регенератора .

Расчетные формулы цикла ВХМ:

- мощность компрессора :

  ,                                                                    (1)

где G – расход воздуха;

 – удельная внутренняя работа компрессора.

     -  мощность детандера :

   ,                                                                 (2)

где  – удельная внутренняя работа детандера.

- холодильный коэффициент :

 ,                                                                      (3)

где  – удельный расход энергии.

- эксергетический КПД установки по хладагенту :

 ,                                                          (4)

где   ( – температура воздуха на входе в компрессор,  – температура воздуха в конце реального процесса расширения);

 – температура окружающей среды.

- эксергетический КПД установки по хладоносителю :

.                                                           (5)

Результаты расчетов цикла ВХМ без регенерации и цикла ВХМ с регенерацией представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные данные

Таким образом, можно делать вывод о том, что целесообразно использовать цикл ВХМ с регенерацией, так как мощности затрачивается меньше, а КПД при этом увеличивается.

Холодильный коэффициент регенеративного цикла больше холодильного коэффициента цикла без регенерации на 29 %. В свою очередь эксергетический КПД по хладагенту больше на 36 % в случае с регенерацией. Таким образом, приведенные данные обуславливают целесообразность реализации цикла ВХМ с регенерацией тепла.

Регенерация тепла в цикле позволяет значительно понизить степень сжатия и уменьшить влияние необратимых потерь на степень термодинамического совершенства цикла.

Список литературы:

1. Дьяченко Ю.В. Исследование термодинамических циклов воздушно–холодильных машин: монография. Новосибирск: НГТУ, 2006. – 404 с.
2. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 320 с.