4.4 Термодинамические основы работы холодильных машин

4.4.1 Теоретический цикл Карно в идеальной паровой компрессионной холодильной машине

В компрессионных холодильных машинах хладагент совершает круговые необратимые процессы (циклы). На осуществление холодильных циклов затрачивается внешняя энергия. Такие циклы называют обратными, в отличие от прямых циклов 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 рисунке 4.13, а термодинамические процессы цикла Карно – на Т, s-диаграмме согласно рисунку 4.14.

Рисунок 4.13 – Принципиальная схема идеальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины:

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

Цикл осуществляется в области влажного пара между пограничными кривыми кипения (соответствует влажному насыщенному пару, когда его сухость =0) и конденсации (соответствует сухому насыщенному пару, его сухость =1). Он представлен двумя адиабатами (1–2) и (3–4) и двумя изотермами-изобарами (4–1) и (2–3).

Изотермический процесс 4–1 (он же изобарный) протекает в испарителе машины, являясь основным. Здесь к хладагенту подводится тепло от охлаждаемой среды q_о. Хладагент при давлении р_о и температуре Т_о кипит 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).

Рисунок 4.14 – Т, s-диаграмма теоретического цикла Карно

Адиабатические процессы сжатия (1–2) в компрессоре и расширения (3–4) в расширителе (детандере) происходят без теплообмена с внешней средой, т. е. при постоянной энтропии s, а температура хладагента Т соответственно повышается и понижается. На это затрачивается механическая работа l, определяемая областью прямоугольника (1–2–3–4).

Сжатые до давления р_к пары хладагента конденсируются в конденсаторе машины при температуре Т_к по 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 Р_о, а температура – до Т_о. Работа, затраченная на реализацию обратного цикла Карно, превратилась в теплоту, которая передалась хладагенту. Поэтому от хладагента в окружающую среду передаётся теплота q_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 холодопроизводительности q_о к затраченной удельной механической энергии l, у цикла Карно имеет наивысшее значение:

Очевидно, что  определяется величинами Т_к и Т_о. Он возрастает при увеличении Т_о или уменьшении Т_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.

Рассмотренная здесь идеальная паровая компрессионная холодильная машина имеет одну ступень сжатия хладагента. Поэтому её называют одноступенчатой.