1 Основные теоретические положения

Холодильные машины предназначены для охлаждения тел ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры.

Холодильные установки работают по обратным тепловым циклам. Обратным называют цикл, в котором работа сжатия превышает работу расширения и за счет подведенной работы теплота передается от холодного источника к горячему. Под холодным источником следует понимать охлаждаемое помещение, под горячим источником – окружающую среду.

Согласно первому закону термодинамики

, (16)

т.е. горячему источнику в обратном процессе передается теплота q₁ равная сумме теплоты q₂ , отбираемой от холодного источника, и теплоты, эквива-лентной подводимой в цикле работе ,.

Рабочее тело холодильных установок называют хладоагентом, Так же как и в теплосиловой установке холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего тела (компрессор или насос) и устройство, в котором происходит расширение хладоагента. Расширение хладоагента может происходить с совершением полезной работы в детандерах (поршне-вая машина или турбомашина) и без совершения ее при дросселировании.

Эффективность холодильной установки определяется с помощью холодильного коэффициента , численно равного отношению количества теплоты q₂ (количества вырабатываемого холода) к затраченной работе :

(17)

На рисунке 4 в TS - диаграмме изображен цикл идеальной холодильной установки, в которой осуществляется обратный обратимый цикл Карно. Этот цикл осуществляется между горячим источником с температурой Т_{гор.ист.} (например, температура окружающей среды) и холодным источником с температурой T_{хол.ист}. Хладоагент, состояние которого определяется точкой 1, обратимо расширяется в детандере по адиабате 1-2 до температуры Т₂, которая меньше температуры Т_{хол.ист.} на бесконечно малую величину dT.

З атем осуществляется изотермии-ческое расширение хладоагента 2-3, в процессе которого рабочее тело отби-рает теплоту от холод­ного источника в количестве

. (18)

По достижении точки 3 осуществляется адиабатное сжатие хладоагента от температуры Т₂ до температуры Т₁ =T_{гор.ист} + dТ.

Затем осуществляется изотермии-ческий процесс (Т₁=const) отвода теплоты от хладоагента к горячему источнику:

. (19)

За счет отвода теплоты удельный объем хладоагента уменьшается, и хладоагент возвращается в исходное состояние 1. Цикл замыкается.

Согласно (17), при условии S₁ = S₂ и S₃ = S₄ , получаем для обратимого обратного цикла Карно:

. (20)

Для обратимого холодильного цикла произвольной конфигурации, пока-занного на рис. 10, холодильный коэффициент может быть найден по формуле

, (21)

где – средние температуры подвода и отвода теплоты в цикле.

Так же как и в случае теплосиловых циклов, циклы реальных холодильных установок отличаются от циклов Карно.

Осуществить в холодильной установке подвод и отвод теплоты по изотермам удается в том случае, если в качестве хладоагента используется влажный пар какой-либо легкокипящей жидкости. В этом смысле холодильный цикл напоминает теплосиловой цикл Ренкина.

Схема холодильной установки, осуществляющей цикл с влажным паром, представлена на рисунке 6, а цикл в TS - диаграмме изображен на рисунке 7.

Сжатый в компрессоре 3 до давления р₁ влажный пар поступает в охладитель (конденсатор) 4, где за счет отдачи теплоты происходит конденсация хладоагента. Процесс конденсации происходит по изобаре-изотерме 4-1. В точке 1 TS-диаграммы имеем жидкость в состоянии насыщения.

Создание детандера, в котором расширяется и совершает работу смесь сухого насыщенного пара и насыщенной жидкости представляет собой трудную задачу. Поэтому в парокомпрессионных холодильных установках используется процесс расширения хладоагента без отдачи внешней работы, т.е. процесс дросселирования. В области влажного пара дифференциальный дроссель-эффект . Это значит, что при дросселировании влажного пара температура его всегда понижается. Процесс дросселирования 1-2 происходит, при постоянной энтальпии пара h и с ростом энтропии S в дроссельном (редукционном) вентиле 1.

При выходе из редукционного вентиля влажный пар направляется в помещенный в охлаждаемом объеме испаритель 2, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется. Этот изобарно-изотермический процесс изображен линией 2-3 на рисунке 7.

Из испарителя пар подается в компрессор, где адиабатно сжимается от давления р₂ до давления р₁. Пар, выходящий из компрессора, перегрет. Затем пар направляется в конденсатор, и цикл замыкается.

В рассматриваемом цикле холодильной установки работа сжатия хладоагента в компрессоре равна разности энтальпий:

(22)

Теплота, подводимая к хладоагенту

(23)

Тогда величина холодильного коэффициента равна:

(24)