Термодинамический принцип машинного охлаждения

Е стественным путем тепло переходит только от тел с высокой температурой к телам с более низкой температурой. При машинном охлаждении требуется отводить тепло от охлаждаемой среды и передавать его более теплой среде, например, окружающему воздуху или водопроводной воде.

Согласно второму закону термодинамики тепло может быть перенесено из холодной среды в теплую путем затраты извне механической или тепловой энергии. Для этого осуществляют специальные термодинамические циклы, называемые холодильными циклами. В холодильных циклах тепло переносится с нижнего температурного уровня на более высокий с помощью какого-либо тела. Такие тела называют рабочими веществами.

Простейший из холодильных циклов в v, p-координатах показан на рис.1. В процессе 1-a-2 этого цикла рабочее тело расширяется, а в процессе 2-b-1 сжимается. Расширение протекает при температуре более низкой, чем температура окружающей среды, поэтому последняя охлаждается, а рабочее тело нагревается; сжимается рабочее тело при более высокой температуре и во время сжатия тепло отводится в окружающую среду - в воздух или воду. На осуществление цикла расходуется внешняя механическая работа, которая в v, p-диаграмме изображается площадью, ограниченной процессами, образующими цикл. Тепло, эквивалентное этой работе, воспринимается рабочим телом и передается им вместе с теплом, воспринятым от охлаждаемой среды, в окружающую (более теплую) среду. Если в рассмотренном цикле рабочее тело воспринимает от охлаждаемой среды q₀ тепла, а на сжатие того же количества рабочего тела расходуется l работы, то в окружающую среду согласно закону сохранения энергии от него должно отводиться тепло в количестве q=q₀+l. В действительности циклы холодильных машин значительно сложнее, чем рассмотренный.

Комплекс технических устройств, с помощью которых осуществляется холодильный цикл, называется холодильной машиной.

Рабочим телом холодильных циклов могут служить различные вещества. По своему физическому состоянию эти вещества во время сжатия могут быть в виде газа или пара. В связи с этим холодильные машины делят на газовые и паровые.

В газовых холодильных машинах рабочее тело на протяжении всего цикла не изменяет своего агрегатного состояния. В паровых холодильных машинах оно переходит в отдельных процессах цикла из парообразного состояния в жидкое или, наоборот - из жидкого в парообразное.

Из газообразных веществ в качестве рабочего тела в холодильных машинах применяют только воздух. Поэтому практически газовыми холодильными машинами являются воздушные холодильные машины.

Принцип охлаждения воздушными холодильными машинами. Схема воздушной холодильной машины дана на рис.2. Основными ее элементами являются компрессор 1, охладитель 2 и расширительный цилиндр 3. Посредством воздушных каналов машина соединяется с охлаждаемым помещением 4.

Компрессор 1 засасывает воздух из охлаждаемого помещения 4 при давлении p₀, равном приблизительно атмосферному давлению, и сжимает его адиабатически до давления p, поддерживаемого в охладителе 2. Практически это давление составляет примерно 0,4-0,5 МПа. Температура воздуха вследствие такого сжатия достигает 100-120°С. Из компрессора сжатый воздух направляется в охладитель 2. Здесь он охлаждается примерно до 20°С - температуры, близкой к температуре охлаждающей воды. При этом давление p благодаря работе компрессора поддерживается постоянным. Из охладителя воздух поступает в расширительный цилиндр - детандер 3, в котором адиабатически расширяется до первоначального давления p₀, вследствие чего его температура снижается до -75÷-70°С. Затем он подается в охлаждаемое помещение 4, охлаждает его, а сам нагревается до -10÷-5°С. Отсюда опять засасывается в компрессор, сжимается в нем, и цикл повторяется снова.

Рис.2. Схема воздушной холодильной машины:

1 - компрессор; 2 - охладитель; 3 - расширительный цилиндр; 4 - охлаждаемое помещение.

Воздух как рабочее вещество обладает следующими преимуществами: имеется везде в неограниченном количестве, безвреден для человека, безопасен в пожарном отношении, достаточно нейтрален к металлам и смазывающим средствам. Однако воздушные холодильные машины большого практического применения не нашли. Основные их недостатки: громоздкость вследствие чрезвычайно малой теплоемкости воздуха; низкий механический коэффициент полезного действия; оседание влаги в виде снега в расширительном цилиндре при большом понижении температуры.

Воздушные холодильные машины используют главным образом для специальных целей, например кондиционирования воздуха в самолетах, разделения газов в установках глубокого охлаждения и т.д.

Принцип охлаждения паровыми холодильными машинами. Паровые холодильные машины, как и воздушные, работают по принципу переноса тепла из холодной среды в теплую путем затраты энергии. Однако в паровых холодильных машинах восприятие тепла в охлаждаемом помещении происходит не вследствие нагревания рабочего вещества, а в результате его кипения. Отводится тепло от рабочего вещества при его конденсации.

Для охлаждения посредством паровой холодильной машины той или иной среды в ней устанавливают змеевики или другую систему металлических труб. Такая система называется испарителем, в нее подается в жидком виде рабочее вещество, которое здесь кипит и охлаждает окружающую среду.

Охлаждение должно осуществляться при достаточно низких температурах. Для этого кипение рабочего вещества должно протекать тоже при низких температурах. Температуры кипения и конденсации рабочего вещества зависят от давления его паров. С понижением давления паров понижаются температуры кипения и конденсация рабочего вещества, и наоборот. В связи с этим при работе холодильной машины давление над кипящим рабочим веществом всегда поддерживают в соответствии с необходимой температурой кипения, которая определяется температурой охлаждаемой среды. Достигается это отсасыванием паров рабочего вещества из испарителя.

Средой, в которую передается тепло при работе холодильной машины, служит обычно вода или воздух. Пары рабочего вещества, образующиеся в испарителе, имеют более низкую температуру, чем охлаждающая вода или воздух, так как процесс в нем чаще всего ведется при отрицательных температурах. В установках умеренно низких температур в испарителе температура кипения рабочего вещества поддерживается в среднем от -10 до -20°С. Поэтому тепло не может переходить непосредственно от рабочего вещества к более теплой воде или воздуху. Но если повысить давление паров, то повысится и температура их конденсации. С этой целью давление отсасываемых из испарителя паров рабочего вещества повышают до величины, при которой температура конденсации их примерно на 10°С выше средней температуры воды или воздуха, воспринимающих тепло. Повышение давления паров, как и отсасывание их из испарителя, в различных системах машин осуществляется по-разному, но всегда с затратой механической или тепловой энергии.

Пары рабочего вещества после повышения их давления во всех системах холодильных машин направляются в конденсатор, в котором, как и в испарителе, основной рабочей частью является система металлических труб. Здесь рабочее вещество отдает воспринятое им тепло охлаждающей воде или воздуху и конденсируется. Из конденсатора жидкое рабочее вещество снова подается в испаритель для поглощения нового количества тепла из охлаждаемой среды.

Давление выходящего из конденсатора жидкого рабочего вещества должно быть таким же, как и его паров, поступающих в этот аппарат, так как давление конденсации при работе машины поддерживается постоянным. В испарителе давление должно быть намного ниже. Поэтому при переходе жидкого рабочего вещества из конденсатора в испаритель давление его понижается с помощью дросселирующего устройства.

В испарителе рабочее вещество снова переходит в парообразное состояние при низкой температуре и низком давлении.

По такому принципу работают все современные паровые холодильные машины. Но практические методы и средства осуществления этого принципа различны, а, следовательно, разнообразны и типы машин. Их, прежде всего, делят в зависимости от способов отсасывания рабочего вещества из испарителя и нагнетания его в конденсатор. По этому признаку различают машины: компрессионные и абсорбционные.