1.4.4. Термодинамика холодильных машин

В холодильных машинах температура охлаждаемых тел понижается ниже температуры окружающей среды. В идеальном цикле холодильной машины – обратном цикле Карно (рис. 1.18) - холодильный агент (рабочее тело) получает теплоту q₂ = пл. 12651 от охлаждаемого тела в изотермическом процессе 1-2 при температуре Т₂. Затем холодильный агент адиабатно сжимается в процессе 2-3, его температура повышается до Т₁. В контакте с окружающей средой холодильный агент отдает ей теплоту q₁ = пл. 34563 и затем адиабатно расширяется по линии 4-1, его температура понижается до Т₂. В цикле затрачивается работа l (площадь 12341), равная разности работ расширения и сжатия хладоагента, при этом q₁ = q₂ + l. Эффективность холодильного цикла оценивается отношением

ε = q₂ /l, (1.29)

который называется холодильным коэффициен-том.

Первоначально использовались воздушные холодильные машины, однако они имеют низкий холодильный коэффициент. В настоящее время для охлаждения воздуха в системах кондиционирования, хранения продуктов и для других нужд широко применяются парокомпрес-

Рис. 1.18. Обратный цикл Карно сионные холодильные машины. Основные узлы и цикл показаны на рис. 1.19. Рабочее тело (аммиак, или хладоны – фтор-хлорпроизводные углеводородов) испаряется в испарителе И, отводя теплоту парообразования q₂ от охлаждаемого тела (процесс 5-1 на Т-s диаграмме). Пары хладона сжимаются в компрессоре К (процесс 1-2) и направл яются в конденсатор Кд, где отдают теплоту в окру-жающую среду (процесс 2-2΄-3). В дросселе Др жидкий теплоноситель разбрызгивается с понижением дав-ления, частично переходит в паро-образное состояние при постоян-ной энтальпии h (процесс 3-5). Потери энергии, связанные с дросселированием, незначительны (площадь 3-4-5-3). Капли испа-ряются, отводя т еплоту от охлаж- Рис. 1.19. Устройство и цикл даемого тела через стенки испари-

парокомпрессионного холодильника теля И. Парокомпрессионные холо-дильники имеют достаточно высокие значения холодильного коэффициента (около 80% от холодильного коэффициента обратного цикла Карно).

Еще одно применение обратного термодинамического - цикла – тепловые насосы, в которых для отопления используется теплота низкотемпературых ис-точников (например, в зимнее время – речной или морской воды). Схема теплового насоса представлена на рис. 1.20. В системе циркулирует низко-кипящий теплоноситель (например, хладон). В испарителе И теплоноситель испаряется, воспринимая теплоту q₁ от источника из окружающей среды (напри-мер, от речной воды). Пар сжимается в компрессоре К, на сжатие затрачивается работа l, температура паров повышается от Т₀ до Т₁. Далее пар поступает в конденсатор Кд, где отдает теплоту конденсации в отопительную систему Сот. Конденсат теплоносителя направляется в дроссельный регулирующий вентиль РВ, разбрызгивается и поступает в испаритель И. Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом ξ :

ξ = q₁ / (q₁ - q₂), (1.30)

где q₂ – теплота, равная работе, затра-ченной на сжатие паров теплоно-сителя. В современных тепловых на-сосах достигаются значения отопи-тельного коэффициента ξ = 4. Применение тепловых насосов дает существенную экономию по сравне-нию с прямым электронагревом. В современной Швеции более 50% зда- Рис. 1.20. Схема теплового насоса

ний зимой отапливаются тепловыми насосами.

Вопросы для самопроверки по теме 1.4.

1. От чего зависит термический КПД цикла Ренкина?

2. Что такое степень сухости водяного пара?

3. Каково назначение конденсатора в паротурбинной установке?

4. Что такое холодильный коэффициент?

5. Как устроен тепловой насос?