Холодильный цикл

Обратный цикл, в котором отнятое от охлаждаемого помещения или тела тепло передается окружающей среде (воздуху, воде), называют холодильным циклом.

В замкнутом процессе масса циркулирующего рабочего вещества постоянна; изменяется лишь его агрегатное состояние при испарении и конденсации. Циркулируя, хладагент всякий раз возвращается в исходное состояние. Следовательно, в соответствии с первым законом термодинамики (законом сохранения энергии) можно записать

Q = Q₀ + L,

где L – работа, затраченная на передачу тепла.

Количество отведенного тепла Q₀, измеренное в течение 1 ч, называется холодопроизводительностью (кДж):

Q₀ = q₀×G,

где q₀ – удельная холодопроизводительность, кДж/кг;

G – часовое количество рабочего вещества, циркулирующего в установ-

ке, кг.

Эффективность работы холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом, под которым понимается отношение холодопроизводительности установки, то есть тепла, отнятого от охлаждаемого тела, к затраченной на этот процесс работе:

.

Когда рабочим телом холодильной установки является сжимаемое вещество (пар, газ или воздух), затрата работы приводит к сжатию этого вещества, то есть к повышению давления и температуры. В противоположность этому расширение сжимаемого рабочего тела связано с совершением им работы. Это позволяет изображать процесс холодильных установок в координатах p – v (рис. 1).

Рис. 1. Обратный цикл в координатах p – v

Термодинамическая диаграмма

Для расчета холодильных машин, изучения происходящих в них процессах используют термодинамические диаграммы хладагентов, представляющие собой набор кривых, характеризующих состояние вещества при сочетании величин термодинамических параметров.

Сочетание значений параметров характеризует состояние рабочего тела, а продвижение от одного сочетания к другому является термодинамическим процессом.

Рассмотрим энтальпийную диаграмму для хладагента фреона R12 (рис.2).

Рис. 2. Структура тепловой диаграммы p – i

Основным ориентиром состояния рабочего тела являются пограничные кривые x = 0 и x = 1.

x = 0 – состояние насыщенной жидкости.

x = 1 – состояние насыщенного пара.

Слева от x = 0 находится область переохлажденной жидкости.

Справа от x = 1 находится область перегретого пара.

Внутри между пограничными кривыми находится область парожидкостной смеси, в которой происходят процессы теплообмена.

Построение теоретического цикла холодильной машины

Для практических расчетов холодильной машины используется энтальпийная диаграмма применяемого в холодильной машине хладагента.

Рис. 3. Теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины в координатах lg p – i

На рис. 3 процессы: 4 – 1 – кипение;

1 – 2 – сжатие;

2 – 3 – процесс конденсации;

3 – 4 – дросселирование.

Количество тепла, полученное хладагентом в процессе кипения при постоянном давлении в испарителе, то есть массовая холодопроизводительность хладагента в цикле, определится разностью

q₀ = i₁ – i₄.

Количество тепла, отведенного от хладагента в конденсаторе при постоянном давлении:

q_k = i₂ – i₃.

Затраченная компрессором работа выразится:

l = i₂ – i₁.

При дросселировании хладагента значения его энтальпии остаются постоянными, то есть i₃ = i₄ = const.

Цикл одноступенчатой машины определяется следующими четырьмя опорными точками с характерными температурами: кипения хладагента в испарителе T₀, конденсации его в конденсаторе T_k, переохлаждения жидкого хладагента перед регулирующим вентилем Т_п и температурой паров Т_в, всасываемых в цилиндр компрессора.