Особенности реального термодинамического цикла в холодильных системах бытовых кондиционеров с герметичным компрессором

Системы кондиционирования являются неотъемлемой частью жизни современного общества. Они позволяют не только обеспечить комфортные условия в помещениях, но и снизить уровень негативного воз­действия окружающей среды на здоровье человека.

В настоящее время становится всё более актуальной тема снижения энергопотребления систем вентиляции и кондиционирования воздуха, в связи с повышением стоимости топлива, а также возникновением разного рода экологических проблем

Как указывает автор работы

Таким образом, целью данной работы является снижение энергопотребления кондиционеров с герметичным компрессором на основе анализа реального термодинамического цикла и выявления факторов и оценки их влияния на энергетическую эффективность их холодильных систем.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо проведение анализа известных работ в данном направлении, учёта изложенных в них теоретических и практических выводов и разработке на этой базе теоретических основ, позволяющих выявить ряд отдельных факторов, определяющих энергетическую эффективность термодинамического цикла холодильных систем кондиционеров с герметичным компрессором.

В настоящее время известны научные работы, в которых рассматриваются вопросы повышения энергетической эффективности систем кондиционирования, в том числе отдельные вопросы энергосбережения кондиционеров. Следует выделить публикации таких авторов как Михайлов, В.А.

Как показал анализ научных работ, среди отдельных вопросов, решаемых с целью повышения энергетической эффективности кондиционеров, следует выделить вопрос влияния параметров всасываемого пара, в частности его сухости, на показатели работы герметичного компрессора, эффективность холодильного цикла и его энергетические характеристики, который в настоящее время изучен недостаточно.

Предварительные исследования показали, что такие характеристики всасываемого пара как температура и степень его сухости играют важную роль в формировании показателей эффективности работы герметичного компрессора и холодильной системы в целом. Следовательно, вопросы, связанные с обеспечением требуемых параметров всасываемого пара, являются актуальными для по­вышения энергетической эффективности кондиционеров.

Следует подчеркнуть, что при исследовании герметичного компрессора и холодильной системы кондиционеров авторы научных работ используют также результаты научных разработок и публикации в области исследования подобных систем малых холодильных машин, для которых вопросы повышения их энергетической эффективности рассмотрены и изучены более глубоко и подробно. Наиболее известные работы в данной области выполнены Левкиным В.В., в частности в работе

При оценке влияния сухости пара хладагента на показатели работы герметичного компрессора учитывают, что рабочее вещество в цикле холодильной машины участвует в различных термодинамических процессах. От того, как совершаются эти процессы, зависит эффективность холодильной машины.

Рабочее вещество холодильной машины совершает обратный цикл за счет механической энергии или энергии другого вида в различных условиях. Имеется три разновидности обратных циклов: холодильный, прямой и комбинированный

На рис. 1 представлен теоретический и реальный холодильные циклы одноступенчатой холодильной машины

Рисунок 1 - Реальный и теоретический холодильные циклы

DOI:10.60797/IRJ.2026.163.58.1

Холодильный агент кипит в испарителе при низком давлении ро и соответственно при низкой температуре tо. При этом тепло, необходимое для кипения, отбирается непосредственно от охлаждаемого объекта. Пары, обра­зующиеся при кипении, отводятся компрессором, который сжимает их до такого давления рк, при котором они смогут быть сконденсированы в результате охлаждения внешней средой. В конденсаторе пар охлаждается до состояния насыщенности и конденсируется. Температура конденсации tк устанавливается на несколько градусов выше температуры охлаждающей среды

[10]

.

Жидкий хладагент из конденсатора через дроссельное устройство снова попадает в испаритель. Вследствие большего сопротивления давление жидкости в нем снижается с рк до ро. Однако в процессе дросселирования полезной работы не создается. Кроме того, происходят потери полезной работы вследствие отклонения реального цикла с дросселированием от идеального цикла Карно. Отклонение объясняется наличием трения при прохождении рабочего тела через дроссель. При дросселировании реальных газов температура понижается меньше, чем при адиабатическом расширении. Это объясняется наличием частичного парообразования жидкости за счет выделения теплоты трения в процессе дросселирования.

Таким образом, в процессе дросселирования теряется полезная работа расширения и умень­шается холодопроизводительность (количество отнятой от охлаждаемого тела теплоты за единицу времени). Этот необратимый процесс идет с увеличением удельной энтропии, а следовательно, на диаграмме рис.1 линия процесса дросселирования пойдет не вертикально вниз, как в теоретическом цикле, а наклонно, выходя не на точку 4Т, а на точку 4д

Таким образом, в испаритель поступает и жидкость и пар. Жидкость кипит, отводя тепло от охлаждаемого объекта: отрезок 4д - 1д`

Точка выхода холодильного агента из испарителя 1д` вследствие ряда причин может изменять свое расположение, но в большинстве случаев находится в зоне влажного пара. Поэтому следующий отрезок 1д`- 1д`` показывает повышение степени сухости пара за счет теплообмена в регенеративном теплообменнике, образованном всасывающей и капиллярной трубкой дросселя.

Действительные (реальные) холодильные циклы несколько отличаются от цикла с всасыванием насыщенного пара. Для цикла с всасыванием насыщенного пара принимаются допущения, которые неприемлемы для действительных циклов. Например, в цикле с всасыванием насыщенного пара не учитывается снижение давления в трубопроводах и испарителе, а также в конденсаторе при циркуляции через них хладагента. Не учитывается и влияние переохлаждения жидкости и перегрева всасываемого пара

Дальнейшее прохождение хладагента по внутренним элементам ком­прессора является сложным термодинамическим процессом. Так, в работе

Автором было показано следующее процентное распределение подогрева пара для характерных участков всасывающего канала:

а) всасывающий патрубок — всасывающая трубка — 65...70%;

б) всасывающая трубка — всасывающая полость — 20...23%;

в) всасывающая полость — цилиндр — 7... 15%.

Следует отметить, что пар, проходя по всасывающему патрубку компрессора, дополнительно подогревается на 8–10°С вследствие теплопередачи от цилиндра.

Температура хладона в кожухе составляет 90...98° С в диапазоне температур кипения от минус 30 до минус 5° С и конденсации, равной 55° С

Вследствие интенсивного внутреннего теплообмена в связи с большой длиной нагнетательного змеевика температура нагнетаемого пара до выхода из кожуха снижается на 45...50°С и способствуют повышению температуры всасываемого пара до начала сжатия, что приводит к увеличению удельного объема последнего. Так, удельный объем пара хладона на входе в кожух в номинальном режиме составляет 0,1412 м3/кг, у всасывающей трубки — 0,1663 м3/кг, в полости всасывания — 0,1747 м3/кг, в цилиндре в начале сжатия — 0,1974 м3/кг. В целом, увеличение удельного объема пара за счет бесполезного подогрева составляет 25...30%.

Таким образом, значительный по величине бесполезный подогрев пара в кожухе до начала сжатия приводит к возрастанию тепловой напряженности и является основной причиной низкой экономичности компрессора

Конструктивные особенности цилиндропоршневой группы таковы, что способствуют интенсивной теплопередаче двигателю от стенки цилиндра и нагнетаемого пара вследствие непосредственного контакта последних с корпусом. Поэтому температура обмотки обычно высока.

Температура масляной ванны является одной из важнейших характеристик компрессора, поскольку условия смазки трибосопряжений во многом определяют надежность холодильного агрегата в целом.

Исходя из данных рассуждений, можно вывести выражение, позволяющее с достаточной степенью точности определить величину бесполезного подогрева пара до начала сжатия в номинальном режиме работы компрессора

где lАД — удельная адиабатическая работа сжатия;

vвс — удельный объем всасываемого пара;

Vh — объем, описанный поршнем;

hе — эффективный к.п.д.;

a — коэффициент теплоотдачи от кожуха в окружающую среду;

y — коэффициент, характеризующий процесс сжатия в цилиндре;

Ni — индикаторная мощность компрессора;

NАД — адиабатическая мощность компрессора;

hм — механический к.п.д. компрессора;

d — коэффициент, оценивающий количество тепла, отдаваемого в нагнетательном тракте ком­прессора в долях от индикаторной мощности Ni;

Qос — количество теплоты, отводимой от кожуха компрессора в окружающую среду при свобод­ной конвекции;

GА — массовая производительность компрессора;

Срес — средняя теплоемкость всасываемого пара при определяющей температуре, равной полусумме температур пара на входе в кожух и в начале сжатия.

Таким образом, подводя итоги и анализируя входящие в формулу параметры и не затрагивая конструктивные особенности компрессора и задаваемый температурный режим работы холодильной машины, укажем, что реально снизить бесполезный подогрев пара рабочего тела возможно и наиболее достижимо за счет снижения величины теплоты Qос и увеличения теплоемкости Срес. Это подтверждает известные подходы, связанные со снижением температуры перегрева всасываемого пара при одновременном обеспечении более высокой его сухости, что приводит к снижению тепловой нагрузки на элементы компрессора и повышению его энергоэффективности.

Исходя из этого, следует отметить, что при оценке использования различных способов регулирования величин Qос и Срес и анализе, приведенной в данной работе формулы, возможно проведение выбора наиболее эффективных предлагаемых технических решений, что является важным результатом, полученным в данной работе, для решения вопросов повышения энергетической эффективности кондиционеров.

Кроме этого, предварительный анализ реального холодильного цикла показал, что в отдельных случаях всасываемый пар является не перегретым, как в теоретическом цикле, а насыщенным или влажным паром с некоторой долей жидкой составляющей, что является негативным фактом, приводящим к снижению энергетической эффективности как самого компрессора, так и холодильного цикла. Вместе с тем, показано также, что негативное влияние на показатели компрессора оказывает значительный перегрев всасываемого пара, который часто может наблюдаться в реальных моделях холодильных систем.

Аналогичные выводы о влиянии показателей состояния всасываемого пара на энергетические показатели работы холодильных машин приведены в ряде зарубежных научных публикациях. Так, в одной из наиболее известных работ

Следовательно, вопросы, которые требуют решения, связаны с обеспечением более высокой степени сухости всасываемого пара и снижения температуры перегрева до необходимого уровня. При этом, как следует из приведенного в данной работе материала, необходимо наиболее рациональное сочетание параметров всасываемого пара, которое может быть обеспечено применением специальных способов, позволяющих регулировать тепловые потоки как на пути всасываемого пара, так и в процессе его сжатия. Для решения вопроса повышения энергетических показателей холодильных систем кондиционеров на основе регулирования параметров, влияющих на величину перегрева и сухости всасываемого пара, предлагается проводить оценку способов регулирования данных параметров по приведенной в данной работе формуле.

Таким образом, предварительный анализ реального холодильного цикла показал, что в отдельных случаях чаще всего всасываемый пар является не перегретым, как в теоретическом цикле, а насыщенным или влажным паром с некоторой долей жидкой составляющей, что является негативным фактом, приводящим к снижению энергетической эффективности как самого компрессора, так и холодильного цикла. Вместе с тем, показано также, что негативное влияние на показатели компрессора оказывает значительный перегрев всасываемого пара, который часто может наблюдаться в реальных моделях бытовых холодильных систем.

Аналогичные выводы о влиянии показателей состояния всасываемого пара на энергетические показатели работы холодильных машин приведены в ряде зарубежных научных публикаций. Так, в одной из наиболее известных работ

Следовательно, вопросы, которые требуют решения, связаны с обеспечением более высокой степени сухости пара и снижения температуры перегрева до необходимого уровня. При этом, как следует из приведенного в данной работе материала, необходимо наиболее рациональное сочетание параметров всасываемого пара, которое может быть обеспечено применением специальных способов, позволяющих регулировать тепловые потоки как на пути всасываемого пара, так и в процессе его сжатия. Для решения вопроса повышения энергетических показателей холодильных систем кондиционеров на основе регулирования параметров, влияющих на величину перегрева и сухости всасываемого пара, предлагается проводить оценку способов регулирования данных параметров по приведенной в данной работе формуле.