4.4 Термодинамические основы работы холодильных машин

Хладагенты и холодоносители. Холодильными агентами(хладагентами) называют жидкие охладители, способные кипеть при низких (отрицательных) температурах в обычных условиях (нормальное атмосферное давление). Их применяют в холодильной технике для совершения рабочего цикла по переносу тепловой энергии путём изменения своего агрегатного состояния.

В качестве хладагентов целесообразно использовать жидкости, отвечающие специальным требованиям:

– термодинамическим (низкая температура кипения и замерзания, большая объёмная холодопроизводительность, высокие значения теплоотдачи и теплопроводности);

– физико-химическим (хорошая растворимость в воде, химическая инертность по отношению к конструкционным материалам, малая проникающая способность, способность обнаружить утечку);

– физиологическим (негорючесть, неядовитость, невзрывоопасность);

– экономическим (дешевизна и др.).

Большое количество ограничений затрудняет выбор. К числу наиболее распространённых хладагентов относят аммиак и фреоны.

Аммиак(NH₃) — один из лучших хладагентов. Он кипит при температуре минус 33,4°С, замерзает при минус 77,7°С, хорошо растворяется в воде и др., но токсичен при концентрации свыше 1% и взрывоопасен при 16...29%.

Фреоны— хлорфторзамещённые углеводороды, получаемые на основе метана (СН₄) и этана (С₂Н₆). Свойства фреонов зависят от соотношения в них атомов углеродаС, фтораF, хлораClи водородаH. По числу атомовСиFстроится их нумерация.

Наибольшее распространение получил фреон-12, чаще называемыйхладоном(CF₂Cl₂). Это — негорючий и бесцветный газ, безвредный до концентрации в воздухе 30 %. Кипит при температуре минус 29,8°С (давление атмосферное), замерзает при температуре минус 155°С. Нейтрален к металлам, текуч, при температуре выше 400°C разлагается с выделением ядовитого газа нервнопаралитического действия –фосгена. Применяется в холодильных машинах малой и средней производительности: в бытовых холодильниках, рефрижераторных вагонах с индивидуальным охлаждением, в системах кондиционирования воздуха и др.

В рабочих циклах открытых термодинамических систем в качестве хладагента используют атмосферный воздух.

Холодоносители— вещества, предназначенные для отвода теплоты от охлаждаемых объектов и передачи её хладагенту в холодильной машине. Холодоносители должны иметь низкую температуру замерзания, большую теплоёмкость, малую вязкость, быть безвредными и нейтральными к конструкционным материалам. В качестве холодоносителей применяютвоздух,рассол,воду,этиленгликольи др.

Использование воздуха как холодоносителя характерно для большинства холодильных установок, а в системах дальнего транспорта холода (например, в снятых с эксплуатации рефрижераторных поездах и 12-вагонных секциях) дополнительно применяли промежуточный холодоноситель – рассол хлористого кальция в воде, что избавляло от необходимости использовать для этой цели дорогой и небезопасный хладагент (аммиак).

Холодильные машины. Холодильная машина— комплекс теплообменных аппаратов и устройств, необходимых в рабочем цикле для отвода теплоты при низкой температуре от охлаждаемой среды и передачи этой теплоты в окружающую среду с более высокой температурой.

Для того чтобы холодильная машина осуществляла искусственную передачу энергии из среды с низкой температурой в среду с высокой температурой, необходимо создать условия естественной передачи тепла в теплообменных аппаратах с помощью хладагентов. Теплообменные аппараты, в которых хладагент потребляет тепло из охлаждаемой среды, называют испарителями. В этом случае температура хладагента должна быть ниже температуры охлаждаемой среды, что создаётся понижением давления хладагента. Теплообменники, в которых хладагент отдаёт тепло в окружающую среду, называютконденсаторами(илиохладителями– при отсутствии конденсации). Здесь температура хладагента должна быть выше температуры окружающей среды, что создаётся повышением давления хладагента.

В зависимости от способа реализации цикла холодильные машины делят на компрессионные,сорбционные,струйные,термоэлектрическиеи др.

В компрессионныххолодильных машинах последовательно происходят процессы сжатия хладагента в компрессоре и его последующего расширения. Они подразделяются напаровыеивоздушные. Для осуществления цикла здесь затрачивается внешняя механическая энергия.

В паровых компрессионных холодильных машинаххладагент в процессе работы изменяет своё агрегатное состояние за счёт кипения при низких значениях температуры и давления (тепло при этом отбирается от охлаждаемого тела), и конденсации при высоких значениях давления и температуры (теплота при этом отводится от хладагента в окружающую или отепляемую среду). Смены фазовых состояний хладагента циклически повторяются, что обеспечивает непрерывный процесс подавления теплопритоков в холодильную камеру.

В воздушной компрессионной холодильной машинеагрегатное состояние хладагента не меняется, но процессы его сжатия в компрессоре (с разогревом и отводом теплоты во внешнюю среду) и расширения в детандерном устройстве (с понижением давления и температуры) циклически чередуются.

В сорбционныххолодильных машинахв холодильном цикле участвуют два компонента: хладагент (чаще всего аммиак) и поглотитель (жидкий – вода или твёрдый – силикагель). Холодильные машины с жидким поглотителем называютсяабсорбционными, а с твёрдым –адсорбционными. В таких холодильных машинах последовательно и циклически осуществляются термические реакции поглощения паров хладагента сорбентом и выделения хладагента из этого вещества. Процессы поглощения и выделения в сорбционных холодильных машинах аналогичны по своему назначению процессам расширения и сжатия в компрессионных холодильных машинах. Однако циклическое действие здесь обеспечивается за счёт подвода извне к рабочему телу не механической, а тепловой энергии..

Действие струйныххолодильных машиносновано на использовании кинетической энергии потока газа или пара. Они бываютэжекторные,вихревыеитурбохолодильные. В настоящее время на хладотранспорте не применяются.

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффектаПельтье: при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух разнородных полупроводников, соединённых медной пластиной, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Это показано на рис. 4.12.

Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру, от теплого спая требуется непрерывно отводить теплоту. Здесь перенос тепла внутри термоэлемента выполняется электрическим током, а вне его – конвекцией охлаждающей среды. Если поменять полярность источника тока, то направление теплового потока изменится на противоположное.

1 — полупроводник с высокими термоэлектрическими свойствами; 2 — медная пластина

Рис. 4.12 — Термоэлектрическая батарея

Термоэлектрическое охлаждение просто и удобно, но маломощно и неэкономично. Оно применяется в космической технике, для кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах и жилых зданиях. Использование его на хладотранспорте возможно и эффективно при создании грузовых вагонов с усиленной теплоизоляцией типа сэндвич, термоэлектрическими батареями, аккумулятором и подвагонным генератором для подзарядки аккумулятора. Преимущества такого способа получения холода: бесшумность, надежность, автономность и реверсивность работы оборудования.

В системе железнодорожного транспорта на подвижном составе применяют в основном паровые компрессионные холодильные машины (ПКХМ), а в стационарных складах – ещё и турбохолодильные, и сорбционные, и струйные.

Существуют и перспективны для использования на транспорте способы машинного производства холода, которые основаны на магнитокалорическомиэлектрокалорическомэффектах. Эти эффекты заключаются в изменении температуры соответственно магнетиков и диэлектриков при изменении напряжённости внешнего магнитного или электрического поля.

Теоретический цикл Карно и идеальная паровая компрессионная холодильная машина. В компрессионных холодильных машинах хладагент совершаеткруговые необратимые процессы(циклы). На осуществлениехолодильных цикловзатрачивается внешняя энергия. Такие циклы называютобратными, в отличие отпрямыхциклов энергетических двигателей, предназначенных для производства работы за счёт внешней энергии.

Идеальным обратным холодильным циклом является теоретический цикл Карно. В нём принято, что процессы протекают в области влажного пара хладагента при постоянных температурах охлаждаемой и окружающей сред и идеальном теплообмене между ними и хладагентом. Теоретический цикл Карно может быть реализован только идеальной паровой компрессионной холодильной машиной. Принципиальная схема этой машины из четырёх основных элементов (испарителя, компрессора, конденсатора и расширителя) показана на рис. 4.13, а термодинамические процессы цикла Карно — наТ,s-диаграмме согласно рис. 4.14. Цикл осуществляется в области влажного пара между пограничными кривыми кипения (соответствует влажному насыщенному пару, когда его сухость=0) и конденсации (соответствует сухому насыщенному пару, т.е. его сухость=1). Он представлен двумя адиабатами (1–2) и (3–4) и двумя изотермами-изобарами (4–1) и (2–3).

1, 2, 3, 4 — точки характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно в элементах идеальной холодильной машины по Т, s –диаграмме

Рис. 4.13 — Принципиальная схема идеальной паровой одноступенчатой компрессионной холодильной машины

Изотермический процесс4–1 (он же изобарный) протекает в испарителе машины, являясь основным. Здесь к хладагенту подводится тепло от охлаждаемой средыq₀. Хладагент при давлениир₀и температуреТ₀кипит и переходит из состояния жидкости в состояние насыщенного пара. Количество теплоты q_о, принятое хладагентом в испарителе, называется массовой теоретической холодопроизводительностью и определяется площадью прямоугольника (4–1–s_1,2–s_3,4).

Адиабатические процессы сжатия(1–2) в компрессоре ирасширения(3–4) в расширителе (детандере) происходят без теплообмена с внешней средой, т.е. при постоянной энтропииs, а температура хладагентаТ соответственно повышается и понижается. На это затрачивается механическая работаl, определяемая областью прямоугольника (1–2–3–4).

Рис. 4.14 — Т,s-диаграмма теоретического цикла Карно

Сжатые до давления р_кпары хладагента конденсируются в конденсаторе машины при температуреТ_кпо изобаре (2–3), одновременно являющейся изотермой, и переходят из состояния насыщенного пара в жидкость, которая после адиабатического расширения (3–4) кипит по изобаре-изотерме (4–1) и снова переходит в состояние насыщенного пара.

При расширении давление хладагента понижается до Р₀, а температура – доТ₀. Работа, затраченная на реализацию обратного цикла Карно, превратилась в теплоту, которая передалась хладагенту. Поэтому от хладагента в окружающую среду передаётся теплотаq_к, которую называют нагрузкой на конденсатор:

q_к.=q_о + l. (4.16)

Выражение (4.16) характеризует тепловой баланс теоретического цикла.

Холодильный коэффициент, определяемый отношением массовой теоретической холодопроизводительностиq_ок затраченной удельной механической энергии l, у цикла Карно имеет наивысшее значение:

Очевидно, что определяется величинами Т_к иТ₀. Он возрастает при увеличенииТ₀или уменьшенииТ_к, т.е. при уменьшении затрачиваемой механической работы.

Теоретический цикл Карно в области влажного пара является наиболее экономичным. Однако идеальную паровую холодильную машину трудно осуществить из-за конструктивных сложностей реализации расширителя и потерь при всасывании влажного пара. Поэтому схему, близкую к циклу Карно, применяют только в газовых компрессионных холодильных машинах, где нет отмеченных проблем.

Рассмотренные здесь идеальная паровая компрессионная холодильная машина имеют одну ступень сжатия хладагента. Поэтому её называют одноступенчатой.