Раздел 8

ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

8.1 Основные понятия и определения

Холодильные установки широко применяются в различных областях техники, они предназначены для охлаждения тел до температуры более низкой, чем температура окружающей среды. В холодильных установках осуществляется передача теплоты от более холодных тел к более горячим (чаще всего к окружающей среде). Согласно второму закону термодинамики указанный процесс может быть осуществлен только при затрате внешней энергии (работы). Как было показано в разделе 3, такие машины работают по обратному циклу, в котором работа сжатия превышает работу расширения.

Если теплоту, отбираемую в обратном цикле от охлаждаемого тела, обозначить через q₂, а теплоту, воспринимаемую внешней средой, через q₁, то:

q₁ = q₂ + l_ц , (8.1)

где l_ц – работа на осуществление обратного цикла. Следовательно, в обратном цикле горячему телу отдается теплота, эквивалентная сумме теплоты, отбираемой от охлаждаемого тела, и подводимой в цикле работы. Эффективность цикла холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом:

. (8.2)

Чем выше значение ε, тем меньше работа, затрачиваемая на отвод заданного количества теплоты q₂ от холодного тела.

Рабочее тело, с помощью которого осуществляется передача теплоты в холодильной установке, называется холодильным агентом. Общее количество теплоты Q₂, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени, называется холодопроизводительностью холодильной установки:

Q₂ = q₂·G_х.а. ,

где G_х.а. – расход холодильного агента через установку.

Наиболее выгодным циклом холодильных установок является обратный и обратимый цикл Карно, который играет в данном случае такую же роль, как прямой цикл Карно при анализе тепловых машин. Для заданных температур холодного и горячего тела идеальная холодильная установка, в которой осуществляется обратный и обратимый цикл Карно, является наиболее экономичной и ее можно рассматривать как эталон, с которым сравнивают циклы реальных холодильных установок.

Этот цикл (рис. 8.1) осуществляется между горячим телом (окружающей средой) с температурой Т_гор=Т₂ и холодным (охлаждаемым) телом с температурой Т_хол. = Т₁.

Хладагент, находящийся в состоянии, определяемом точкой 1, адиабатно сжимается в процессе 1-2. При этом его температура увеличивается от Т₁ (температура охлаждаемого тела) до Т₂ (температура окружающей среды). Затем в процессе 2-3 осуществляется изотермический (Т₂=const) отвод теплоты в окружающую среду:

q₁ = T₂ (s₂ – s₃) (8.3)

Далее хладагент адиабатно расширяется, производя работу (процесс 3-4). Его температура в этом процессе понижается до Т₁, после чего осуществляется изотермическое расширение хладагента (процесс 4-1), в котором к нему подводится теплота от охлаждаемого тела:

q₂ = T₁ (s₁ – s₄) (8.4)

За счет подвода теплоты удельный объем хладагента увеличивается и он возвращается в исходное состояние 1. Так как s₁ = s₂ и s₃ = s₄, то из уравнений (8.3) и (8.4) следует:

l_ц = q₁ − q₂ = (T₂ - T₁) (s₂ – s₃) . (8.5)

Подставив значения q₂ и l_ц из (8.3) и (8.5) в (8.2), получим уравнение для обратимого холодильного цикла Карно:

, (8.6)

или

. (8.7)

Таким образом, холодильный коэффициент ε уменьшается (затраченная работа l_ц растет) при увеличении температуры окружающей среды T₂ и уменьшении температуры охлаждаемого тела T₁. Этот вывод справедлив не только для обратного цикла Карно, но и для любого произвольного обратного цикла.

В практике наибольшее применение получили компрессионные холодильные установки, в которых внешняя энергия (работа) подводится с помощью компрессора. По типу холодильного агента компрессионные холодильные установки подразделяются на две большие группы:

- газовые (чаще воздушные) холодильные установки, в которых холодильный агент находится в состоянии, далеком от насыщения;

- паровые холодильные установки, в которых в качестве холодильного агента используют пары низкокипящих жидкостей.