Свойства некоторых рабочих тел (холодильных агентов)

Таблица 10

Из графы 2 табл. 10 видно, что при атмосферном давлении только водяной пар имеет положительную, а все остальные холодильные аген­ты отрицательные температуры насыщения и, следовательно, при комнатной температуре (+15°С) являются перегретыми парами (газами). Близкими к этим свойствам обладает и воздух.

Из граф 3 и 4 следует, что при температурах насыщения + 15° G и— 10° С водяной пар имеет давление меньше, а все прочие холодиль­ные агенты — больше атмосферного.

Водяной пар может получаться из рассола (подсоленной воды) с добавкой в нее соли для понижения точки ее замерзания (— 5 - 10° С), но на­ходиться при очень высоком разрежении, поддержание которого яв­ляется весьма трудной технической задачей. При этом удельный объем пара при — 10° С составляет около 450 м³/кг и выполнение цилиндра компрессора для засасывания большего объемного коли­чества пара практически невозможно. Поэтому несмотря на принци­пиальную возможность, водяной пар не используется в качестве ра­бочего тела в компрессионных холодильных установках.

Таким образом, холодильные агенты должны обладать следующим основным термодинамическим свойством:

1. При отрицательных темпе­ратурах насыщения их давление не должно быть ниже атмосферного, с тем чтобы испарение не происходило в условиях вакуума и исключало подсос воздуха.

2. Кроме того, желательными термодинамическими свой­ствами холодильных агентов должны быть все те, которые обусловли­вают увеличение экономичности холодильных установок при прочих равных условиях. Основными из таковых являются:

   1. умеренные давления при сжатии, позволяющие применение облегченных конструкций элемен­тов машины;

   2. значительные величины теплоты парообразования при малых значениях удельных объемов, т. е. высокие объемные холодопроизводительности агентов, что позволяет снизить количество циркулирующего рабочего вещества и уменьшить размеры компрес­сора и прочих элементов установки;

   3. низкая теплоемкость жидкости на нижней пограничной кривой.

Веществ, обладающими всеми названными свойствами не найдено.

19-2. ЦИКЛЫ ВОЗДУШНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Начало холодильной промышленности связано с появлением и развитием воздушных холодильных машин, так как воздух благодаря доступности в безвредности является наиболее удобным холодильным агентом. Промышленное получение холода было впервые осуществлено при помощи воздушной компрессионной холодильной машины.

Принцип действия воздушной холодильной машины заключается в следующем.

Воздух из охлаждаемого помещения 1 (фиг. 19-2) засасывается компрессором 2 и подвергается адиабатическому сжатию, в результате которого температура его возрастает. Сжатый воздух выталкивается в холодильник 3 и охлаждается водой, после чего поступает в расширительный цилиндр 4, где совершает работу при расширении до начального давления. При расширении температура воздуха значительно падает, достигая — 60 — — 70° С. Холодный воздух вновь поступает в охлаждаемое им помещение /, где нагревается, отнимая тепло уд от охлаждаемого тела.

Фиг. 19-2	Фиг. 19-3.	Фиг. 19-4

Цикл воздушной холодильной машины представлен на диаграмме фиг. 19-3. Он состоит из 2-х изобар и 2-х адиабат. Индикаторная линия а — 1 соответствует всасыванию компрессором воздуха из охлаждаемого помещения; процесс /—2 соответствует адиабатическому сжатию воздуха от
начального давления р₀ до конечного давления р, а индикаторная линия 2— b —выталкиванию сжатого компрессором воздуха в холодильник.

Процессы 2—3, 3—4 и 4—1 соответствуют последовательно охлаждению сжатого воздуха в холодильнике, адиабатическому расширению воздуха в цилиндре и нагреванию воздуха при отводе тепла от охлаждаемого помещения.

Площадь а-—1—2— b изображает работу компрессора, а площадь а—4—3— b —работу расширительного цилиндра, причем индикаторные линии а—4 и b —3 соответствуют процессам всасывания воздуха в расширительный цилиндр и выталкивания из него.

Работа, затрачиваемая в воздушной холодильной машине, равна разности работ сжатия в компрессоре 2 и расширения в цилиндре 4, называемом обычно" детандером (фр. detendre – ослаблять) - поршневая или турбинная машина для охлаждения газа за счёт его расширения с совершением внешней работы.

В результате работы холодильной установки, включающей компрессор, расширительный цилиндр, холодильник и теплообменник охлаждаемого помещения, совершается круговой процесс изменения состояния рабочего вещества — воздуха, в котором за счет затраты работы тепло переносится от тела более холодного—охлаждаемого помещения, к телу более нагретому—охлаждающей воде.

Следовательно, в результате работы воздушной холодильной машины осуществляется обратный цикл / -2—3—4 - 1, изображенный на диаграмме фиг. 19-4. Этот цикл состоит из двух изобар и двух адиабат. Количество тепла, отведенное от холодного источника, изображается площадью а—1—4— b—а; количество тепла, отданное источнику высшей температуры, изображается площадью а—2—3— b —а, а количество затраченной работы 1—площадью 1—2—3—4—1, заключенной внутри цикла.

Холодильный коэффициент описанного цикла можно подсчитать, если принять во внимание, что

Предполагая, что оба процесса—сжатия 1—2 и расширения 3—4 происходят адиабатически, для температур воздуха в характерных точках цикла можно написать следующие соотношения

Принимая теплоемкость воздуха постоянной, получим:

а холодильный коэффициент

Сравним холодильный коэффициент воздушного цикла с циклом Карно, для чего впишем в контур воздушного цикла цикл Карно. Как видно из рис. 19-4, перепад температур в цикле Карно существенно меньше.

Действительно, в процессе 2—3 рабочее тело отдает тепло охлаждающей воде. Для того чтобы этот процесс был возможен, охлаждающая вода на входе в установку должна иметь температуру во всяком случае не выше Т₃. Таким образом, для рассматриваемого цикла предельная температура теплоприемника равна температуре Т₃ .

В процессе 4—1 рабочее тело получает тепло от охлаждаемого помещения. Если температура охлаждаемого помещения постоянна, то она не может быть ниже температуры Т₁ , которая, таким образом, представляет собой предельную температуру теплоотдатчика.

Следовательно цикл с указанными источниками тепла (обратный цикл Карно) должен, , иметь вид /—2'—3—3'—1 на .фиг. 19-4.

Как видно из фиг. 19-4, холодопроизводительность соответствующего цикла Карно (т. е. цикла, осуществляемого с теми же источниками тепла), измеряемая площадью /—а— b —3'—1, больше холодопроизводительности цикла воздушной машины на величину площади 1—4—3'—1, тогда, как затраченная работа в цикле Карно, измеряемая заштрихованной площадью /—3'—3—2'—1, меньше работы воздушного цикла на сумму площадей 1—4—3'—! и 2— 2'— 3—2.

На основании уравнения (19-3) холодильный коэффициент соответствующего цикла Карно равен:

Холодильный коэффициент теоретического цикла воздушной холодильной машины (не учитывая необратимых потерь на трение и теплообмен) значительно ниже холодильного коэффициента соответствующего цикла Карно.

Например, для воздушной холодильной машины при начальном давлении р₀ == 1 ата, при давлении в конце сжатия р === 5 ата и температуре охлаждаемого помещения Т₀ == 0°С температура в конце сжатия Т==162,4°С, а холодильный коэффициент

Если принять, что температура охлаждающей воды Т₃ == 20° С, то холодильный коэффициент соответствующего цикла Карно при этом равен ε_К = 13,65.

Такое большое различие в значениях холодильных коэффициентов указывает на термодинамическое несовершенство цикла воздушной холодильной машины по сравнению с наивыгоднейшим холодильным циклом — обратным циклом Карно.