73

2. Процессы умеренного охлаждения

Сегодня принято считать, что умеренное охлаждение оперирует температурами до (-100˚С) [4].

2.1. Идеальная холодильная машина

Идеальная холодильная машина умеренного охлаждения теоретически нереализуема. Но ее рассмотрение позволяет уяснить принципы организаций циклов умеренного охлаждения, осмыслить стадии и ввести основные характеристики процесса.

Узел, в котором от объекта низкой температуры передается (отводится) теплота к рабочему телу, называют нижним температурным источником ; узел, в котором к объекту высокой температуры передается (подводится) теплота от рабочего тела - верхним температурным источником.

Охлаждение веществ до температур, более низких, чем температура окружающей среды, связанное с переносом теплоты от нижнего температурного источника к верхнему, требует затраты внешней работы.

Наиболее совершенным (идеальным) является процесс охлаждения, обеспечивающий передачу максимального количества теплоты (производства максимального количества холода) на единицу затраченной работы. Этому условию удовлетворяет рабочий процесс, проводимый по обратному циклу Карно.

Напомним, что этот цикл предусматривает две изотермические и две адиабатические операции: изотермический отвод теплоты от рабочего тела (РТ) в верхнем температурном источнике (холодильнике-конденсаторе ХК), адиабатическое понижение температуры РТ в расширительной машине (детандере Д), изотермическое нагревание РТ в нижнем температурном источнике (конденсаторе К). При этом в нижнем источнике РТ получает теплоту от охлаждаемой среды, т.е. последняя охлаждается - в этом цель процесса.

Подчеркнем, что РТ здесь не расходуется, так как цикл по рабочему телу в самом деле замкнут.

Отвод теплоты от РТ и подвод теплоты к нему в изотермических условиях осуществимы только при конденсации и кипении РТ, поэтому циклы Карно (прямые и интересующие нас здесь - обратные) могут быть реализованы в области влажного пара. Соответственно указанным выше операциям строится идеальный цикл умеренного охлаждения (рис. 2.1.а).

а б

Рис. 2.1. Идеальная машина умеренного охлаждения.

а- принципиальная схема; б – Т-s диаграмма

I - рабочее тело; II - охлаждаемая среда; III - охлаждающая среда;

К- компрессор; ХК – холодильник –конденсатор; Д- детандер;

И - испаритель

В компрессоре К происходит адиабатическое сжатие рабочего тела 1-2; в холодильнике (здесь это конденсатор) ХК – изотермический отвод теплоты от РТ (конденсация) 2-3; в детандере Д – адиабатическое расширение 3-4; в испарителе И – изотермический подвод к РТ теплоты (кипение) 4-1.

В компрессионной холодильной машине, работающей по идеальному циклу пары РТ сжимаются в компрессоре от давления р₁ до р₂ (затраты энергии). После сжижения в холодильнике – конденсаторе РТ расширяется в детандере (отдача энергии), давление снижается от р₂ до р₁ , и РТ подается в испаритель.

Идеальный цикл удобно изображать в диаграмме T – s.

Стадии цикла:

1-2 – адиабатическое сжатие рабочего тела в компрессоре (s = const);

2-3 – изотермическая и изобарическая конденсация паров РТ в конденсаторе (T_в = const, р_в = const);

3-4 – адиабатическое расширение рабочего тела в детандере (s = const);

4-1 – изотермическое и изобарическое испарение рабочего тела в испарителе (T_н = const, р_н = const).

Диаграмма T – s отнесена к 1 кг рабочего тела (s - в Дж/(кг∙К)), поэтому затраты энергии (работа) и количество теплоты также являются удельными т.е. рассчитанный на 1 кг рабочего тела, циркулирующего в цикле. В диаграмме T – s (рис.2.1б) удельная работа, затрачиваемая в компрессоре, измеряется площадью 12351, а удельная работа, получаемая (возвращаемая) в детандере – площадью 3453. Безвозвратный расход энергии (удельная адиабатическая работа цикла), измеряемый площадью 12341, составляет . Площадь 23672 выражает удельное количество теплоты , отводимой хладоагентом от рабочего тела в конденсаторе, а площадь 14671 – удельное количество теплоты , получаемой в испарителе рабочим телом от охлаждаемой среды, т.е. удельное количество произведенного холода.

Для оценки и сопоставления эффективности различных циклов вводят понятие о холодильном коэффициенте ε_х, выражающем количество холода, производимого в испарителе, приходящее на единицу затраченной адиабатической работы

ε_х = q₀/l_ад. (2.1.1)

Холодильный коэффициент оценивает термодинамическое совершенство рабочего цикла, чем выше ε_х, тем выгоднее цикл, так как тем больше рабочее тело передает холода охлаждаемой среде (забирает от нее теплоты) за счет единицы затраченной работы.

Для идеального цикла общее выражение (2.1.1) при подстановке значений q₀ и l_ад приобретает вид

(2.1.2)

Как видно из (2.1.2) для идеального цикла холодильный коэффициент не зависит от физических свойств рабочего тела, а целиком определяется температурой верхнего и нижнего источников.

На величину ε_х можно воздействовать, выбирая уровни температур T_н и T_в. С понижением T_н коэффициент ε_х уменьшается, и производство холода удорожается, значит, не следует стремиться к чрезмерному (ниже необходимого технологического уровня) понижении, температуры T_н. С понижением T_в коэффициент ε_х возрастает, однако возможности снижения T_в обычно ограничены, так как ограничен диапазон температур охлаждающей среды в конденсаторе (это чаще всего – холодный воздух или холодная вода).