7.2 Газовые холодильные машины

Холодильные машины, термодинамический цикл которых совершается в области газа (значительно перегретого пара), то есть хладагент находящийся в газообразном состоянии и не изменяет свое агрегатное состояние при совершении цикла, называются газовыми холодильными машинами. Они бывают двух типов: с адиабатическим расширением газа и с использованием вихревого эффекта (эффекта Ранка).

Холодильным агентом в газовых машинах с адиабатическим расширением газа часто является воздух, и тогда их называют воздушными холодильными машинами. Их применяют в области относительно низких температур (–80... –120 °С), где эффективность их работы близка к паровым холодильным машинам. Для получения холодильного эффекта в них используется детандер.

Эффективность газовых холодильных машин, использующих вихревой эффект (вихревых труб), значительно ниже, чем машин с детандерами.

Функциональная схема и теоретический цикл газовой холодильной машины показан на рис. 7.6.

Газ с температурой T₁, равной температуре охлаждаемого объект, и давлением p₁ поступает в компрессор I, изоэнтропно сжимается до давления р₂ (процесс 1–2) и нагнетается в теплообменник II. В нем воздух охлаждается от температуры Т₂ до Т₃ (процесс 2-3), отдавая поглощенную теплоту окружающей среде, например воде. Затем воздух изоэнтропно расширяется в детандере III от давления р₂ до p₁ (процесс 3–4), совершая полезную работу, и поступает в теплообменник IV охлаждаемого объекта, где нагревается от температуры Т₄ до T₁ (процесс 4–1), отводя теплоту от охлаждаемого объекта, например воздуха. Из охлаждаемого объекта газ поступает в компрессор, и далее цикл повторяется.

Удельная массовая холодопроизводительность хладагента в s–T-диаграмме измеряется площадью под процессом и равна

q_О = i₁– i₄ = c_Р(Т₁–Т₄). (7.22)

Количество теплоты, отведенное от 1 кг газа, измеряется площадью под процессом и равно

q = i₂– i₃ = c_Р(Т₂–Т₃). (7.23)

Работа цикла равна разности работ компрессора и детандера

l = l_K – l_P = (i₂ – i₁) – (i₃ – i₄) (7.24)

или находится из теплового баланса

l = q– q_О = (i₂ – i₃) – (i₁ – i₄) = c_Р(Т₂–Т₃) – c_Р(Т₁–Т₄). (7.25)

Холодильный коэффициент цикла

 = q_О/l = c_Р(Т₁–Т₄)/[c_Р(Т₂–Т₃) – c_Р(Т₁–Т₄)]. (7.26)

Если допустить, что воздух является идеальным газом, т. е. c_Р = const, то можно написать

 = (Т₁–Т₄)/[(Т₂–Т₃) – (Т₁–Т₄)]

или

 = (Т₁–Т₄)/[Т₁(Т₂/Т₁–1) – Т₄(Т₃/Т₄–1)]. (7.27)

Для изоэнтропных процессов сжатия и расширения воздуха отношение абсолютных температур можно представить в виде

Т₂/Т₁ = Т₃/Т₄ = (p₂/p₁)^(k-1)/k,

где k – показатель адиабаты.

Тогда находим

 = Т₁(Т₂–Т₁) = Т₄(Т₃–Т₄). (7.28)

Коэффициент обратимости цикла равен

_ОБР = /_ОБР. (7.29)

Этот цикл с термодинамической точки зрения целесообразен, если имеются источники переменной температуры, например осуществляется комбинированный цикл, охлаждая и нагревая объекты одновременно.