Вопросы для самоконтроля:

1.  Каково назначение ТН? Приведите пример работы теплового насоса.

2.  Поясните, как изменится температура в помещении, если поместить в него бытовой холодильник с открытой дверью?

3.  Перечислите основные требования, предъявляемые к термодинамическим свойствам холодильных агентов.

4.  Расшифруйте химические формулы хладоновR22,R134 иR717.

5.  В чем отличие азеотропной смеси от зеотропной? Как маркируются азеотропные смеси?

6.  Что такое удельная массовая холодопроизводительностьq₀?

7.  Что такое холодильный коэффициент обратного цикла?

Литература: [1, с. 32...45; 2, с. 6...35] Лекция 3. Циклы и схемы компрессорных холодильных машин

Рассмотренный выше обратный цикл Карно лежит в основе принципа действия современных холодильных машин. В зависимости от используемого холодильного агента холодильные машины делят на две группы: паровые и газовые. В испарителе паровой холодильной машины происходит испарение рабочего тела при подводе к нему тепла Q₀от охлаждаемого объекта, а в конденсаторе при отводе теплотыQ_кот холодильного агента в окружающую среду (к воздуху или воде) – его конденсация. В паровых холодильных машинах в качестве рабочего тела используют легкокипящие хладоны – аммиак, фреоны.

В газовых холодильных машинах в процессе производства холода рабочее тело не меняет своего агрегатного состояния – во всех частях холодильной машины оно остается газообразным. В качестве рабочего тела таких машин чаще всего используют воздух.

3.1. Циклы и схемы газовых холодильных машин

Наиболее простым и легко осуществимым циклом газовой холодильной машины является цикл с детандером, который многие называют циклом Джоуля (рис. 3.1).

Рис. 3.1.  Схема и цикл газовой холодильной машины с детандером

Холодильная машина, реализующая цикл Джоуля, состоит из компрессора I, промежуточного холодильникаII, детандераIIIи рефрижератораIV. Рабочее тело (например, воздух) адиабатно сжимается (1, 2) в компрессоре и проталкивается в промежуточный холодильникII, где от него отводится теплотаQ₁в изобарном процессе 2, 3 (температура точки 3 близка к температуре окружающей среды). Дальше воздух поступает в детандерIII, где происходит его адиабатическое расширение 3, 4 до первоначального давленияР₀с одновременным совершением полезной работы расширения. В состоянии 4 температура воздуха – низшая в цикле и, поскольку она меньше температурыТ_0с, то такой воздух является источником холода (охлаждающим телом). Направляя его в рефрижератор, можно охлаждать, например, пищевые продукты, т.е. получать охлаждающий эффект (холодопроизводительностьQ₀). Температура воздуха при этом будет повышаться по изобаре 4, 1. Затем воздух отводится из рефрижератора в компрессор и цикл повторяется.

Работа цикла l = q₁ – q₀будет эквивалентна площади цикла 1, 2, 3, 4. Благодаря тому, что процессы подвода и отвода тепла в цикле воздушной холодильной машины протекают при постоянном давлении, указанные количества тепла могут быть вычислены как разность энтальпийq₀ = і₁ – i₄,q₁ = і₂ – i₃, а работа циклаl = (і₂ – i₃) – (і₁ – i₄). Преобразуя последнее выражение, можно получитьl = (і₂ – i₁) – (і₃ – i₄), т.е. что работа цикла равна разности работ сжатия в компрессоре (і₂ – i₁) и расширения в детандере (і₃ – i₄). Знак минус говорит о том, что, если в компрессоре необходимо затратить работу на сжатие воздуха, то в детандере можно вернуть часть затраченной работы. С этой целью в реальных воздушных холодильных машинах турбокомпрессор помещают на одном валу с турбодетандером, чтобы полезная работа последнего шла на привод турбокомпрессора и частично компенсировала энергозатраты (рис. 3.1).

Холодильный коэффициент теоретического цикла воздушной холодильной машины с учетом этого будет

.

Принимая значения теплоемкости постоянными, т.е. считая, что і₁ = с_рТ₁,і₂=с_рТ₂и т.д., можно получить

. (3.1)

Для адиабатических процессов сжатия (1, 2) и расширения (3, 4) между давлениямиР₀иP₁можно записать

, т.e. .

Следовательно,

,

или, через соотношение давлений,

. (3.2)

Из последнего выражения видно, что увеличение степени сжатия в компрессоре Р₁/Р₀ведет к снижению холодильного коэффициента.

Особенностью воздушных холодильных машин является то, что передача тепла от охлаждаемого тела к воздуху происходит при переменных температурах (процесс 4, 1). Т.е., можно считать, что такие машины вырабатывают холод переменных температур. В то же время в технологических процессах пищевых производств, как правило, нужны источники холода с постоянными температурами. Кроме того, поскольку теплоемкостьc_pвоздуха невелика, для получения значительной холодопроизводительности воздушной холодильной машины, требуется сжимать большие количества воздуха. Это приводит к тому, что размеры компрессоров и аппаратов воздушных холодильных машин становятся очень большими, что приводит к большой металлоемкости.

Удачное решение этой проблемы предложила группа ученых во главе с проф. А.Г. Дубинским, которая разработала оригинальный вариант турбохолодильной воздушной машины с приемлемыми весогабаритными показателями. В этой работе активное участие принимал видный ученый-холодильщик, бывший ректор Одесской государственной академии холода проф. В.С. Мартыновский. Более подробно об этом можно прочитать в учебнике [1, с. 360].