Циклы холодильных машин

Холодильными машинами или термокомпрессорами называются маши­ны, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окру­жающей среды.

Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия кото­рых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша.

В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента ис­пользуется атмосферный воздух. Эти установки не получили широкого рас­пространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конст­рукции.

В паровых (парокомпрессорных) холодильных установках рабочим телом являются пары различных веществ - аммиака NН₃, углекислоты СО₂, серни­стого ангидрида S0₂, фреонов (фторохлорпроизводых углеводородов). Вви­ду простоты конструкции (по сравнению с воздушными), высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике.

В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для полу­чения низких температур затрачивается не механическая работа (как в паро вых или газовых), а теплота какого либо рабочего тела с высокой температу­рой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента использу­ется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества. Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности приме­няются редко. Более широкое распространение получили абсорбционные хо­лодильные машины, в которых для получения низких температур использу­ется (как и в пароэжекторных) энергия в виде теплоты. Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более на­дежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение.

Холодильные установки, принцип действия которых основан на исполь­зовании эффектов Пельтье и Ранка-Хильша, максимально просты по конст­рукции - не имеют движущихся деталей. Однако они пока не получили ши­рокого распространения из-за низких значений холодильного коэффициента.

Холодильные машины работают по обратному циклу, то есть циклу, изо­браженному в тепловых диаграммах (p ν, Ts, is) в направлении против на­правления часовой стрелки. Наивыгоднейшим циклом холодильной машины, осуществляемым между двумя источниками тепла с температурами Т ₁и Т ₂,будет обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 12.1).

Рис. 12.1

Рассмотрим процессы цикла: 1-2 - адиабатное сжатие рабочего тела (хладоагента); 2-3 - изотермическое сжатие с отводом теплоты q ₁в окру­жающую среду; 3-4 - адиабатное расширение; 4-1 - изотермическое расши­рение с подводом теплоты q ₂к хладоагенту от охлаждаемого в холодильнике тела.

В качестве характеристики термодинамической эффективности холо­дильного цикла принята величина

.

где l - затрачиваемая механическая работа, равная площади 12341.

Величина ε называется холодильным коэффициентом или коэффициен­том холодопроизводительности.

Для обратного цикла Карно

. (1 2. 1)

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществ­ляемыми в том же интервале температур теплоисточников.

Из формулы для ε_к видно, что с увеличением температуры T₁ и с умень­шением температуры Т₂ коэффициент холодопроизводительности уменьша­ется и при . Работа L и мощность N, необходимые для осуще­ствления обратного цикла, определяются по формулам

; ,

где Q - холодопроизводительность (количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени).