7.Оборотні цикли

7.1. Цикли холодильних установок

Х олодильні установки служать для штучного охолодження тіл нижче температури навколишнього середовища. Робоче тіло в холодильних машинах виконує зворотний круговий процес, у якому на противагу прямому циклу витрачається робота ззовні й віднімається тепло від охолоджуваного тіла.

Ідеальним циклом холодильних машин є зворотний цикл Карно (рис. 7.1). У результаті здійснення цього циклу витрачається робота l₀ і тепло q від холодного тіла переноситься до більш нагрітого тіла.

Відношення відведеного від охолоджуваного тіла тепла q₀ («виробленого холоду») до витраченої роботи q-q₀ зветься «холодильним коефіцієнтом» та є характеристикою економічності холодильної машини:

(7.1.)

Максимальне значення холодильного коефіцієнта при заданому температурному інтервалі дорівнює холодильному коефіцієнту зворотного циклу Карно, тобто

(7.2)

Відношення характеризує ступінь термодинамічної досконалості застосовуваного циклу.

Як холодильні агенти застосовують повітря й рідини з низькими температурами кипіння: аміак, вуглекислоту, фреони.

7.2. Цикл повітряної холодильної установки

На рис. 7.2 зображено схему повітряної холодильної установки: охолоджуване приміщення 1 або холодильна камера, у якій по трубах циркулює охолоджене повітря; компресор 2, що всмоктує це повітря й стискає його; охолоджувач 3, у якому прохолоджується стислий у компресорі повітря; розширювальний циліндр 4, у якому повітря розширюється та здійснює при цьому роботу й знижує свою температуру. З розширювального циліндра холодне повітря направляють у холодильну камеру, де він, віднімаючи тепло від охолоджуваних тіл, нагрівається й знову надходить у компресор. Надалі цей цикл повторюється.

Н а рис. 7.3 дано теоретичний цикл повітряної холодильної установки в діаграмі . Точка 1 характеризує стан повітря, що надходить у компресор; лінія 1—2 — процес адіабатного стиску в компресорі; точка 2 — стан повітря, що надходить в охолоджувач; точка 3— стан повітря, що надходить у розширювальний циліндр; лінія 3—4 — адіабатний процес розширення; точка 4 — стан повітря, що надходить у холодильну камеру (охолоджуване приміщення), і лінія 4—1 — процес нагрівання повітря в цій камері. Пл. 1-2—6—5—1 визначає роботу, витрачену компресорами на стиск, а пл. 3—6—5—4—3 являє собою роботу, отриману в розширювальному циліндрі. Отже, витрата роботи в теоретичному циклі повітряної холодильної установки визначається пл. 1—2— 3—4, а кількість тепла, відведеного від охолоджених тіл, дорівнює кількості тепла, сприйнятого повітрям у процесі 4—1. Цей же цикл у діаграмі Ts зображений на рис. 7.4. Площа, що лежить під кривою 4—1, відповідає кількості тепла q₀, відведеного від охолоджуваних тіл; площа, що лежить під кривою 4—1, відповідає кількості тепла, переданого охолоджуваній воді в охолоджувачі, а пл. 1—2—3—4—1— роботі, витраченої в циклі.

Холодопродуктивність 1 кг повітря q₀ визначається з рівняння

(7.3)

де Т₁ — температура повітря, що виходить із холодильної камери й надходить у компресор;

T₄ — температура повітря, що входить у холодильну камеру;

с_рт — середня масова теплоємність повітря при постійному тиску. Робота, витрачена компресором,

(7.4)

де Т₂ — температура повітря після його стиску в компресорі.

Робота, отримана в розширювальному циліндрі,

, (7.5)

де Т₃ — температура повітря перед розширювальним циліндром.

Робота, витрачена в циклі, визначається по рівнянню

(7.6)

Витрата холодильного агента

, кг/с (7.7)

де Q₀ і — відповідно холодопродуктивність установки й холодопродуктивність 1 кг повітря в кДж/с та кДж/кг.

Холодильний коефіцієнт

(7.8)

Теоретична потужність, необхідна для привода компресора,

, кВт (7.9)

якщо l₀ виражено в кДж/кг.

Основним недоліком повітря як холодильного агента є його мала теплоємність, а отже, і мала кількість тепла, що віднімається від охолоджуваного тіла одним кілограмом агента. Внаслідок цього, а також з інших причин повітряні холодильні установки в цей час не мають широкого поширення.