эффективность работы холодильный машины. Холодильный коэффициент показывает: какое количество теплоты отводится от охлаждаемого тела на единицу затраченной работы.

В T,s – диаграмме q и q0 изображаются площадями прямоугольников, а

где Т – температура рабочего вещества в процессе передачи теплоты нагретому телу А; Т0 – температура рабочего вещества в процессе его нагрева холодным телом

С.

Из последнего выражения следует, что холодильный коэффициент машины, работающей по обратному циклу Карно, не зависит от природы рабочего вещества (хладагента), а является лишь функцией абсолютных температур Т и Т0. Холодильный коэффициент будет тем выше, чем меньше разница температур, в пределах которых осуществляется холодильный цикл. Эти выводы важны и в действительных условиях работы холодильных машин. На практике охлаждаемым телом или средой обычно являются пищевые продукты (мясо, рыба, и т.п.) и воздух изолированных холодильных помещений, в то время как более тѐплым телом, воспринимающим теплоту охлаждаемого объекта, – обычно забортная вода и реже атмосферный воздух.

Чтобы достигнуть более высокого холодильного коэффициента, не следует снижать температуру воздуха охлаждаемого помещения или находящихся в нѐм продуктов ниже температуры, которая диктуется технологическими требованиями, так как незначительное понижение Т0 вызывает излишнюю затрату энергии на осуществление холодильного процесса. Также в связи с этим в качестве теплоприѐмника целесообразно использовать наиболее холодную среду.

3. Классификация трансформаторов тепла

Как было сказано уже выше, трансформаторы тепла – это технические системы, в которых осуществляется отвод тепла от объектов с относительно низкой температурой к приѐмникам тепла с более высокой температурой.

13

Такое преобразование называется в технике повышением потенциала тепла. Процессы повышения потенциала тепла классифицируются обычно в

зависимости от положения температурных уровней: верхнего – теплоприѐмника (среда или тело, к которой подводится тепло) и нижнего – теплоотдатчика (среда или тело, от которой отводится тепло) по отношению к температуре окружающей среды ТОС, принимаемой в большинстве случаев равной 20˚С (293К). На рис.5 показаны характерные температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения.

Рис. 5 Температурные зоны трансформаторов тепла различного назначения

В том случае, когда температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды ТН < TОС, а температура теплоприѐмника равна этой

тепла) называется рефрижератором (класс R – от английского слова refrigeration – охлаждение).

При ТВ > TОС соответствующий трансформатор тепла называется

14

тепловым насосом1 (класс Н – от английского слова heat – тепло).

комбинированным (класс RH).

В основном работа трансформаторов тепла заключается в выработке

холода, т.е. отводе в окружающую среду тепла от объектов, температура ТН которых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня ТН рефрижераторы делятся на две подгруппы: при ТН ≥ 120К соответствующие системы называются холодильными, а при ТН < 120К – криогенными2.

СЕВМАШВТУЗПринцип работы компрессионных установок основан на повышении давления посредством механического воздействия на рабочий агент.

Теплонасосная система предназначена для использования тепла, отводимого от окружающей среды или другого низкопотенциального источника (например, отработавшей воды или пара), для бытового или технологического теплоснабжения – подвода тепла при ТВ > TОС. Обычно ТВ не превышает 120÷150˚С. Так как тепло более высокого потенциала, как правило, выгоднее получать при использовании химического или ядерного

топлива.

Теплоприѐмником – охлаждающей средой, к которой отводится тепло от охлаждаемого объекта, в рефрижераторных установках обычно служит окружающая среда (атмосферный воздух или вода), в теплонасосных и комбинированных установках – отапливаемые помещения или обогреваемые

элементы технологической аппаратуры.

Установки для трансформации тепла можно классифицировать по ряду

признаков (см. рис. 6).

По принципу работы трансформаторы тепла можно разделить на два

вида:

термомеханические, принцип работы которых основан на использовании

процессов повышения и понижения давления какого-либо рабочего тела;

электромагнитные, принцип работы которых основан на использовании

Компрессионные установки делятся на парожидкостные,

1Термин «тепловой насос» не отражает существа физических процессов в трансформаторе тепла, поскольку известно, что тепло не материальная субстанция, которую можно «перекачивать». Как и аналогичные термины «теплоѐмкость» и «теплопроводность», он сложился под влиянием представлений о существовании невесомой тепловой субстанции – «теплорода», господствовавших в науке вплоть до XIX в.

2От греческих слов «крио» - холодный и «генос» - производить.

15

давлении выше критического вещество условно считается в парообразном состоянии.

При температуре ниже критической область левее пограничной кривой делится на три зоны: над пограничной кривой жидкости – область жидкости (Ж); над изотермой тройной точки – область твѐрдого тела и жидкости (Т+Ж); левее пограничной кривой твѐрдого тела – область твѐрдого тела (Т).

парожидкостных, газожидкостных и газовых. СЕВМАШВТУЗВ компрессионных установках используется электрическая или

механическая энергия. В некоторых случаях, например в так называемых «термомеханических компрессорах», сжатие осуществляется путѐм использования потока тепла при Т > ТОС.

Принцип работы сорбционных установок основан на повышении давления рабочего тела при последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом с отводом тепла, а затем выделения (десорбции) рабочего агента из сорбента, сопровождающегося подводом тепла.

В этих установках используется свойство ряда пар веществ изменять температуру при адиабатном смешении или соответственно выделять, либо поглощать тепло в изотермических условиях.

С помощью процессов сорбции и десорбции в сорбционных установках выполняются функции, аналогичные процессам всасывания и нагнетания, совершаемым механическими компрессорами. Такой способ компрессии называется термохимическим.

Сорбционные установки делятся на абсорбционные и адсорбционные. В абсорбционных установках сорбция осуществляется в массе (внутри) абсорбента через границу раздела жидкой и паровой фаз. В адсорбционных установках процесс сорбции происходит на развитой поверхности адсорбента, находящегося, как правило, в твѐрдом состоянии.

Для осуществления процесса трансформации тепла в сорбционных установках используется внешняя энергия в форме потока тепла при Т >> ТОС. Агрегатное состояние рабочего агента в сорбционных установках обычно меняется: по этому признаку они относятся либо к парожидкостным, либо (реже) к газожидкостным. В последнее время появились сорбционные установки, работающие на газе (например, водородные).

Струйные установки основаны на использовании кинетической энергии потока пара или газа для повышения давления рабочего агента. Струя пара или газа, выходящая с большой скоростью из сопла, создаѐт эжектирующий эффект, в результате которого происходит всасывание, а затем сжатие рабочего агента.

Струйные установки могут представлять собой как закрытые термодинамические системы, рабочее тело в которых осуществляет

18

термодинамический цикл, так и открытые, в которых процесс разомкнут.

В первых одно или несколько рабочих тел циркулируют в замкнутом контуре (или в нескольких контурах); во вторых рабочее тело (или несколько рабочих тел) поступает в систему с одними параметрами, а выходит из неѐ с другими. Струйные установки по характеру изменения агрегатного состояния рабочего тела обычно относятся к парожидкостным.

Среди электромагнитных установок нашли некоторое практическое применение четыре типа трансформаторов тепла:

1. термоэлектрические, основанные на эффекте Пельтье. Процесс СЕВМАШВТУЗтрансформации тепла в этих установках осуществляется путѐм

непосредственного использования постоянного электрического поля в последовательно соединѐнных разнородных полупроводниках. При пропускании через эти элементы электрического тока на спаях между ними возникает разность температур. При подводе к холодным спаям тепла низкого потенциала от горячих спаев отводится тепло повышенного потенциала;

2. магнитокалорические, в которых процесс трансформации тепла осуществляется последовательным намагничиванием и размагничиванием парамагнетиков или ферромагнитных тел, температура которых повышается при увеличении напряжѐнности магнитного поля и снижается при еѐ уменьшении;

3. термомагнитные, основанные на совместном действии магнитных и электрических полей на полупроводники (эффект Эттингсхаузена);

4. электрокалорические, основанные на действии электрического поля на сегнетоэлектрики.

Наибольшее распространение получили термоэлектрические трансформаторы тепла; остальные используются пока в отдельных случаях.

По характеру трансформации тепла все установки можно разделить на две группы – с повышающей и расщепительной трансформацией.

При повышающей трансформации тепло, подведѐнное к установке при низкой температуре ТН, отводится от неѐ при более высокой температуре ТВ. По повышающей схеме работает большинство рефрижераторных, теплонасосных и комбинированных установок. Идеальный цикл повышающей установки представлен на рис.4.

При расщепительной трансформации к установке подводится поток тепла среднего потенциала QC с температурой ТС, который в установке делится (расщепляется) на два потока – низкого QН и высокого QВ потенциала с температурами ТН и ТВ соответственно.

Таким образом, в рассматриваемой установке, поток тепла низкого потенциала QН может быть использован для охлаждения, а поток тепла высокого потенциала QВ – для нагрева.

Расщепительная трансформация тепла осуществляется в струйных вихревых установках и некоторых типах абсорбционных.

19

По характеру протекания процесса во времени установки делятся на две группы – непрерывного действия и периодического действия. Первые работают в течение всего срока между плановыми остановками непрерывно; их характеристики изменяются только в пределах, определяемых регулированием. Вторые работают периодически по определѐнному температурному графику, когда периоды работы (поддерживаемая температура изменилась относительно заданной) чередуются с периодами простоя (поддерживаемая температура равна заданной или изменилась относительно неѐ в допускаемых пределах).

СЕВМАШВТУЗ4. Парожидкостная компрессионная холодильная

установка

Процесс искусственного охлаждения, осуществляемый с помощью холодильной машины, складывается из четырѐх, последовательно протекающих операций:

1. для непрерывного отбора теплоты от теплоотдатчика (охлаждаемого тела или среды) с низкой температурой необходимо иметь соответствующее количество холодильного агента, температура которого была бы более низкой по сравнению с заданной температурой теплоотдатчика. Приведение к этому состоянию рабочего вещества, с понижением его температуры за счѐт внутренней или внешней работы, является первой – наиболее важной операцией охлаждения;

2. при наличии холодильного агента с более низкой температурой, чем теплоотдатчик (охлаждаемый объект), теплота переходит от этого объекта, как от относительно тѐплого тела, к агенту, т.е. к телу более холодному. Отнятие теплоты от теплоотдатчика – вторая операция процесса охлаждения;

3. воспринятую хладагентом теплоту низкого температурного уровня агент в состоянии передать теплоприѐмнику (воде или воздуху) лишь в том случае, если эта теплота будет приведена к температурному уровню, более высокому по сравнению с температурой теплоприѐмника. Таким образом, повышение температурного уровня теплоты (повышение потенциала тепла), отнятой хладагентом от теплоотдатчика, является третьей важной операцией процесса;

4. последней операцией является передача, отнятой от теплоотдатчика теплоты, а также теплоты, эквивалентной работе, затраченной на повышение потенциала тепла, теплоприѐмнику.

Все эти операции, как элементы процесса искусственного охлаждения, осуществляются в парожидкостной компрессионной машине.

20