Циклы холодильных установок и тепловых насосов.
Выработка искусственного холода и трансформация теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Тепловые машины, предназначенные для понижения температуры тел ниже окружающей среды и непрерывного поддержания этой температуры, называются холодильными установками. Эти же тепловые машины, предназначенные для повышения температурного уровня теплоты, называются трансформаторами теплоты, или тепловыми насосами.
В холодильных установках и тепловых насосах осуществляется процесс перехода теплоты от тел менее нагретых к телам более нагретым, который является несамопроизвольным процессом и, согласно второму закону термодинамики, требует какого-либо дополнительного, компенсирующего процесса. Таким компенсирующим процессом в холодильных машинах может быть процесс превращения работы в теплоту (самопроизвольный процесс) или переход теплоты от горячего тела к холодному. Эти процессы требуют затраты энергии извне.
Установки, в которых затрата энергии для получения холода производится в виде механической работы на привод компрессора, называются компрессионными установками, а установки, в которых энергия затрачивается в виде теплоты на термохимическую компрессию, – абсорбционными.
Холодильные установки и тепловые насосы работают по обратным (против часовой стрелки) круговым процессам (циклам).
Цикл паровой компрессионной холодильной установки.
Теоретически наиболее выгодным циклом холодильной машины является обратный цикл Карно. Однако из-за конструктивных трудностей и больших потерь на трение этот цикл не осуществим.
В холодильных машинах процессы отвода теплоты от более холодного тела и передача ее к более горячему за счет затраты энергии извне происходит при помощи рабочих тел, которые носят название холодильных агентов (хладоагентов).
В зависимости от рода хладагента компрессионные установки делятся на воздушные и паровые. В последних применяются вещества с низкой температурой кипения: аммиак (tн = –340 С), углекислота (tн = –790 С), фреоны и др. Хотя промышленное получение холода было впервые осуществлено при помощи воздушных холодильных установок, в настоящее время они применяются редко, так как имеют низкий холодильный коэффициент и громоздкую конструкцию.
Значительно более выгодными и удобными по сравнению с воздушными являются паровые компрессионные установки, позволяющие в области насыщенного пара холодильный цикл приблизить к обратному циклу Карно.
Эффективность циклов холодильных установок характеризуется холодильным коэффициентом, который записывается так:
Количество теплоты, отнятое хладоносителем от охлаждаемого помещения, – хладопроизводительность.
Эффективность холодильных установок зависит от свойств хладоагента. К последним предъявляется ряд особых требований:
1) давление насыщенного пара хладоагента, соответствующее требуемым низким температурам, должно быть выше атмосферного, так как при этом легче бороться с утечкой хладоагента, чем с подсосом воздуха при вакууме;
2) теплота парообразования r должна быть, по возможности, большей, так как она определяет хладопроизводительность в парокомпрессионных установках.