17

Циклы холодильных машин

Искусственный холод находит широкое применение в народном хозяйстве. На строительстве каналов, горных рудниках, в угольных бассейнах, при строительстве метро и высотных домов в условиях водоносных пород с помощью искусственного замораживания грунта проходка защищается от прорыва воды;

В химической и газовой промышленности искусственный холод применяется для сжижения технически важных газов; на машиностроительных заводах осуществляется термическая обработка при низких температурах (—80—90° С) металлических изделий, что повышает их износоустойчивость, а также способствует соблюдению точных размеров.

Искусственный холод имеет решающее значение для пищевой промышленности, позволяя длительно сохранять пищевую ценность важнейших продуктов.

Установки для кондиционирования воздуха создают благоприятную температуру и влажность воздуха в производственных, общественных и бытовых помещениях.

Искусственный холод может быть применен также на электростанциях для увеличения мощности электрогенераторов путем искусственного понижения температуры воздуха, охлаждающего обмотки генераторов.

Значительному развитию отечественной холодильной техники способствовали работы советских ученых и институтов—Ленинградского холодильного института, ВНИХИ, МВТУ им. Баумана, Одесского холодильного института, Главхладопрома, Гипрохолода и др.

Для получения искусственного холода могут быть использованы различные физические процессы и явления. Для понижения температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры в течение определенного времени применяются установки, в которых теплота отнимается у холодного источника и передается горячему. При этом полезным эффектом может быть охлаждение продукции или отопление помещений. В первом случае установка называется холодильной, во втором – теплонасосной. Установки, по­зволяющие переходить с режима охлаждения на режим нагрева одного и того же помещения (и наобо­рот), называются кондиционерами воздуха.

В холодильных установках также, как и в тепловых работа осуществляется с помощью замкнутых термодинамических циклов. Роль холодного источника выполняют воздух и содержимое холодильной камеры, в теплонасосных — речная вода, земля или атмосферный воздух. Горячим источником теплоты у первых служит окружающая среда (например, воздух комнаты, где стоит холодильник), а у вторых — отапливаемое помещение. В кондиционерах в зависимости от потребности можно использо­вать или охлаждающий, или нагревающий эффекты.

. Разработан ряд типов холодильных и теплонасосных установок. В паровых и воздушных компрессионных установках затрачивается механическая работа, в эжекционных и абсорбционных — теплота, в электрических и магнитных — электричество. В качестве холодиль­ных и теплонасосных установок могут использоваться некоторые топливные элементы — они работают за счет затраты химической энергии.

Тепло, отводимое от охлаждающей среды, воспринимается рабочим телом, называемым обычно в холодильниках холодильным агентом или хладоносителем, а в теплонасосных — теплоносителем., Рабочими телами слу­жат вещества, имеющие низкую температуру кипения. Это им позволяет осуществлять процесс испарения и парообразования при низких температурах.

Первая уста­новка этого типа, созданная в 1834 г., работала на парах эфира, позже стали применять сернистый ангидрид. В 1874 г. К. Линде построил аммиачную, а в 1881 г. — углекислотную установку. До 20-х годов для производства механической работы применялись только поршневые компрессоры, потом в крупных установках их стали заменять винтовыми и лопаточными.

Мы рассмотрим принципы работы, циклы и оценим эффективность основных из этих типов установок при выполнении ими функций холодильников

Согласно второму началу термодинамики перенос тепла от охлаждаемого тела или среды к телу более нагретому возможен только в результате осуществления компенсирующего процесса, которым чаще всего является превращение работы в тепло, а в ряде случаев—переход тепла от тела более нагретого к менее нагретому.

В большинстве случаев производство искусственного холода основано на совершении холодильным агентом обратного кругового цикла.

Наиболее ранним способом, указанным еще в работах великого русского ученого М. В. Ломоносова, является также охлаждение тел при помощи холодильных смесей.

19-1. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО

Фиг. 19-1.

Прежде чем перейти к изучению процессов и циклов, осуществляемых в холодильных машинах, рассмотрим термодинамически наиболее совершенный обратный цикл Карно, изображенный на Т-s диаграмме фиг. 19-1.

Обратный цикл Карно принципиально и технически осуществим в области насыщенного пара.

В изотермическом процессе 4—1 рабочее тело получает от источника тепла, имеющего низшую температуру Т₀, тепло, измеряемое площадью 1—а— b— 4—1.

В процессе 1—2 рабочее тело подвергается адиабатическому сжатию, в результате чего его температура возрастает от Т₀ до Т_k..

В изотермическом процессе 2—3 рабочее тело, приходя в соприкосновение с источником тепла высокой температуры, отдает ему тепло q₁, измеряемое площадью а—2—3—b—а.

В процессе 3—4 рабочее тело адиабатически расширяется, причем производится работа расширения l _3-4 = c_v (T_k-T₀), а температура рабочего тела понижается от Т_k до Т₀.

При рассмотрении идеального цикла предполагается, что процессы 4—1 и 2—3 являются обратимыми изотермическими процессами.

Таким образом, в результате осуществления обратного цикла тепло q₂ отводится от источника с низкой температурой То и передается источнику с высокой температурой Тk.

На осуществление цикла затрачивается механическая работа 1, эквивалентная площади /—2—3—4—1, равная разности работ, затраченной на сжатие рабочего тела и полученной при его расширении. Затраченная работа 1 при осуществлении обратного цикла превращается в тепло, и этот процесс перехода работы в тепло является компенсирующим процессом, необходимым для осуществления переноса тепла от тела более холодного к телу более нагретому.

Ввиду того что источник высшей температуры получает, помимо тепла q₁, также тепло, эквивалентное затраченной работе 1, основное уравнение теплового баланса для обратного цикла может быть представлено в следующем виде:

q₁ – q₂ = l

В качестве характеристики цикла, осуществляющего перенос тепла от менее нагретого тела к более нагретому, принята величина, называемая холодильным коэффициентом и обозначаемая через ε . Для обратного цикла Карно

(19-2)

Таким образом, холодильный коэффициент характеризует количество тепла, отводимое от охлаждаемого источника, приходящееся на единицу затраченной работы.

Цикл Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемыми в тех же интервалах температур. Значение ε для циклов холодильных машин при не слишком низкой температуре Т₀ обычно больше единицы и изменяется в зависимости от условий работы машины. Необходимо отметить, что с понижением температуры Т₀ теплоприемника (например, охлаждающей воды) холодильный коэффициент увеличивается.

Количество тепла q₂, отведенное от холодного источника в единицу времени (чаще всего в час), называется холодопроизводительностью холодильной машины.

Q₀ = q₂∙n_ц ,

где n_ц – количество циклов в единицу времени.

В расчетах употребляется также величина, называемая удельной холодопроизводительностью агента, равная количеству тепла, отводимому от холодного источника единицей количества рабочего тела. Обычно в расчетах применяются объемная или весовая холодопроизводительность агента.