Питання для самоконтролю

1. У яких процесах ентропія системи залишається величиною постійною?

2. Принцип зростання ентропії ізольованої системи.

3. Як визначити зменшення працездатності ізольованої системи?

4. Сформулюйте поняття ексергії.

5. У чім полягає практична перевага ексергії?

6. Що відображає ексергетичний ККД реальних установок?

Лекція 13 основи теорії газових холодильних машин.

13.1 Повітряна холодильна машина

Повітряні компресорні холодильні машини з’явилися, і вперше були використані, в минулому столітті на морських судах у Франції, Англії й інших країнах. Повітря загальнодоступне, небезпечне і досить нейтральне до металів і змащення. Однак одержання більш досконалих, у термодинамічному відношенні, холодильних агентів і недоліки в конструкції повітряних холодильних машин привели до того, що до початку нашого століття ці машини майже зникли із широкої практики.

Повітряна холодильна машина складається з компресора I, охолод- жувача стисненого повітря II, детандера III і холодильної камери IV (рис.13.1а)

Повітря з камери IV засмоктується компресором, стискується до тиску 0,4-0,5 мПа і нагрівається до температури 113-140 °С. З компресора повітря нагнітається у водяний охолоджувач II, у якому охолоджується до температури, близької до температури охолодної води (біля +20 25 °С).

Адіабатичне розширення в детандері супроводжується різким спадом температури й тиску. Ступінь розширення повітря в циліндрі детандера вибирають із таким розрахунком, щоб температура повітря на виході з детандера була нижче температури холодильної камери. При тиску наприкінці розширення в 0,098 мПа ця температура досягає -74 -88 °С.

Після детандера холодне повітря попадає в камеру IV, де нагрівається й знову засмоктується компресором.

ІІ P T

а б в

3 2 q₁ 2

ІІІ І

вода 3 5

IV 6 1

4 1 4 q₂

V S

Рис. 13.1. Повітряна холодильна машина: а) – схема; б) – робочий цикл у Pv – діаграмі; в) робочий цикл у Ts – діаграмі.

Існують два засоби відбору тепла від повітря в холодильній камері: засіб відкритої циркуляції, коли холодне повітря безпосередньо змішується з повітрям камери, і закритий засіб, при якому холодне повітря циркулює по трубчастих змійовиках.

Ідеальний цикл повітряної холодильної установки представлений у Pv і Ts – діаграмах (рис. 13.1б і 13.1в).

Повітря в процесі 1-2 адиабатно стискується від тиску Р₁ до Р₂. В ізобарному процесі 2-3 від повітря відводиться теплота зовнішньому джерелу, і температура його знижується від Т₂ до Т₃. При адіабатному розширенні в процесі 3-4 повітря додатково охолоджується від температури Т₃ до Т₄. Далі в ізобарному процесі 4-1 відбувається відвід теплоти від охолоджуваного приміщення (тепловіддатчика), після чого повітря нагрівається від Т₄ до Т₁. Робота, затрачувана на здійснення циклу, дорівнює різниці теплоти q₁ і q₂. Вважаючи теплоємність постійною, маємо

(13.1)

(13.2)

Тоді холодильний коефіцієнт циклу дорівнює

(13.3)

З адіабатних процесів 1-2 і 3-4

і (13.4)

але Р₂ = Р₃, а Р₁ = Р₄, тоді

Остаточно маємо

(13.5)

де Т₁ – температура охолоджуваного приміщення або температура повітря, засмоктуваного в компресор; Т₂ – температура стисненого повітря.

Цикл повітряної холодильної установки зовні необоротний, тому що відвід теплоти здійснюється в навколишнє середовище з постійною температурою, у межі рівної Т₃. Підведення теплоти відбувається від охолоджуваного приміщення, у якому повинна підтримуватися постійна температура, що не перевищує Т₁. Таким чином, через недосконалість циклу повітря після компресора повинне перегріватися на різницю температур Т₂ – Т₃ і охолоджуватися нижче температури охолоджу- ваного приміщення на величину Т₁ – Т₄. Найбільш досконалим процесом відводу теплоти був би ізотермний процес 5-3 , а процесом підведення теплоти - ізотермний процес 6-1. При цьому зазначені процеси можна було б наблизити до оборотного. Але цикл 1-5-3-6-1 буде оборотним циклом Карно. Отже, зайвий раз підтверджується, що оборотний зворотний цикл Карно є найбільш досконалим циклом холодильної установки. У порівнянні із циклом Карно в ідеальному циклі повітряної холодильної установки додатково втрачається робота, рівна сумі пл. 2352 і 1641. При цьому кількість теплоти, що відбирається від охолоджу- ваного приміщення за один цикл, буде менше на величину пл. 1641 у порівнянні з теплотою в циклі Карно.