1.3 Призначення холодильних установок

Холодильні установки класифікують залежно від положення температурних рівнів: верхнього – приймальника тепла Т_в і нижнього – віддатчика тепла Т_н стосовно температури навколишнього середовища Т_н.с. [1,2].

У тім випадку, коли температура віддатчика тепла нижче темпера- тури навколишнього середовища Т_н < Т_н.с., а приймальника тепла дорівнює цій температурі Т_в = Т_н.с., система, що здійснює відвід тепла, називається холодильником.

При Т_н ≥ Т_н.с. і Т_в ≥ Т_н.с. відповідна система називається тепловим насосом.

Термін “тепловий насос” не відбиває сутності фізичних процесів у ньому, оскільки, як відомо, тепло не матеріальна субстанція, яку можна “перекачувати”. Як і аналогічні терміни “теплоємність” і “теплопро- відність”, він утворився під впливом уявлення про існування невагомої теплової субстанції - “теплорода”, що панувало в науці аж до XІХ ст.

При Т_н < Т_н.с. і Т_в > Т_н.с. установка здійснює обидві функції – холодильника та теплового насосу. Така система називається комбі- нованою.

Теплоприймачем – охолодним середовищем, до якого відводиться тепло від охолоджуваного об’єкта, у холодильних системах слугує звичайно, навколишнє середовище (атмосферне повітря або вода), у теплонасосних та комбінованих системах – опалювальні приміщення або елементи технологічних приладів, які використовують для обігріву.

Т б в

Q_в Q_в

Т_в 2 1 2 1

а A A

Q_н.с

Т _н.с 2 1 3 4

2 A

Q_н.с

Т ₀ 3 4 3 4 Q₀

Q₀

s

Рис. 1.1. Принципова схема циклів трансформаторів тепла на Тs-діаграмі: а – холодильний цикл; б – цикл теплового насосу; в – комбінований цикл.

У основному, робота холодильних установок полягає у виробленні холоду, тобто відводі в навколишнє середовище тепла від об’єктів, тем- ператури яких нижче температури навколишнього середовища. Залежно від рівня Т_н установки діляться на дві підгрупи: при Т_н ≥ 120 К відпо- відні системи називаються холодильними, при Т_н < 120 К – кріогенними. Від грецьких слів “кріо” – холодний і “генос” – робити.

Теплонасосна система призначена для використання тепла, що від- водиться від навколишнього середовища або іншого низькопотенційного джерела, для побутового або технологічного теплопостачання – підве- дення тепла при Т_в > Т_н.с. Звичайно Т_в не перевищує 400-450 К, оскільки тепло більш високого потенціалу, як правило, вигідніше одержувати при використанні хімічного або ядерного палива.

Очевидно, що процеси у всіх трансформаторах тепла трьох описа- них видів незалежно від конкретної схеми, повинні моделюватися зво- ротними термодинамічними циклами [3,4]. У загальному вигляді такі зворотні цикли на Тs – діаграмі (температура – ентропія) показані на рис. 1.1. Про поняття ентропії йтиметься далі.

У процесі 1-2 тепло відводиться або у навколишнє середовище (рис. 1.1 а), або в опалюване приміщення (рис.1.1б,в) зі зменшенням ентропії. У процесі 3-4 тепло підводиться до робочого тіла зі зростан- ням ентропії. Процеси 2-3 і 4-1, що відбуваються відповідно зі знижен- ням та підвищенням температури робочого тіла, можуть проводитися найрізноманітнішими засобами, з використанням різних робочих тіл. Однак у всіх випадках зміни ентропії й температур, перераховані вище, неминуче здійснюються. У верхній частині циклів, де тепло Q_н.с або Q_в віддається робочим тілом, його температура повинна бути вище Т_н.с або Т_в, у нижній, навпроти, робоче тіло, що одержує тепло Q₀ або Q_н.с, повинне мати температуру нижче Т_н або Т_н.с. Треба звернути увагу на те, що незалежно від виду трансформатора тепла, цикли здійснюються з витратою зовнішньої енергії. Саме цим зворотні цикли істотно відріз- няються від прямих, у яких головним є надбання корисної роботи.