Циклы холодильных установок

Холодильные установки служат для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совершает обратный круговой процесс, в котором в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается теплота от охлаждаемого тела.

Рис.1. Обратный цикл Карно в T-S координатах.

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно (рис. 1). В результате осуществления этого цикла затрачивается работа l₀ и тепло q от холодного тела переносится к более нагретому телу.

Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты q₀ (произведенного холода) к затраченной работе q-q₀ носит название холодильного коэффициента и является характеристикой экономичности холодильной машины:

Очевидно, максимальное значение холодильного коэффициента при заданном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратного цикла Карно, т. е.

Отношение характеризует степень термодинамического совершенства применяемого цикла.

В качестве холодильных агентов применяют воздух и жидкости с низкими температурами кипения: аммиак, углекислоту, сернистый ангидрит и в последнее время фреоны (галоидные производные насыщенных углеводородов).

На рис.106 дана схема воздушной холодильной установки: охлаждаемое помещение I, или холодильная камера, в которой по трубам циркулирует охлаждённый воздух; компрессор 2, всасывающий этот воздух и сжимающий его; охладитель 3, в котором охлаждается сжатый в компрессоре воздух; расширительный цилиндр 4, в котором воздух расширяется, совершая при этом работу и понижая свою температуру. Из расширительного цилиндра холодный воздух направляют в холодильную камеру, где он, отнимая теплоту от охлаждаемых тел, нагревается и вновь поступает в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.

На рис. 107 дан теоретический цикл воздушной холодильной установки в диаграмме pv. Точка 1 характеризует состояние воздуха, поступаюoего в компрессор; линия 1—2 — процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка 2 — состояние воздуха, поступающего в охладитель; точка 3 — состояние воздуха, поступающего в расширительный цилиндр; линия 3—4 — адиабатный процесс расширения; точка 4 — состояние воздуха, поступающего в холодильную камеру (охлаждаемое помещение), и линия 4—1 — процесс нагревания воздуха в этой камере. Площадь 1—2—6—5— 1 измеряет работу, затраченную компрессорами на сжатие, а площадь 3—6—5—4—3 представляет собой работу, полученную в расширительном цилиндре. Следовательно, затрата работы в теоретическом цикле воздушной холодильной установке измеряется площадью 1—2—3—4, а количество теплоты отнятой от охлажденных тел, равно количеству теплоты воспринятой воздухом в процессе 4—1. Этот же цикл в диаграмме Ts изображен на рис. 108. Площадь, лежащая под кривой 4—1, соответствует количеству теплоты q₀ отведенной от охлаждаемых тел; площадь, лежащая под кривой 2—3, соответствует количеству теплоты, переданной охлаждающей воде в охладителе, а площадь 1—2—3—4—1 — работе, затраченной в цикле.

Холодопроизводительность 1 кг воздуха q₀ определяется из уравнения:

где T₁ – температура воздуха, выходящего из холодильной камеры и поступающего в компрессор;

T₄ – температура воздуха, входящего в холодильную камеру;

С_pm – средняя массовая теплоёмкость воздуха при постоянном давлении.

Работа, затраченная компрессором,

,

где T₂ – температура воздуха после его сжатия в компрессоре.

Работа, полученная в расширительном цилиндре,

,

где T₃ – температура воздуха перед расширительным цилиндром.

Работа, затраченная в цикле, определяется по уравнению:

Расход холодильного агента:

кг/с, (*)

где Q0 и q0 – соответственно холодопроизводительность установки и холодопроизводительность 1 кг воздуха в кДж/с и кДж/кг (или в ккал/с и ккал/кг).

Холодильный коэффициент:

Холодильный коэффициент можно выразить также в функции отношения конечного и начального давлений в компрессоре:

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора,

, кВт, (**)

если l₀ выражено в кДж/кг.

Основным недостатком воздуха как холодильного агента является его малая теплоёмкость, а следовательно, и малое количество теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела одним килограммом агента. Вследствие этого, а также других причин воздушные холодильные установки в настоящее время не имеют широкого распространения.