ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Холодильные установки предназначены для понижения температуры тел ниже температуры окружающей среды и работают по обратному циклу. В обратном цикле за счёт затраты работы теплота передаётся от холодного источника к горячему.
Эффективность работы холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом
, (4.1)
определяемым как отношение отводимой от охлаждаемого тела теплоты q2 к затраченной работе цикла l0.
На рис. 4.1, 4.2 приведены принципиальная схема и теоретический цикл воздушной холодильной установки. Из холодильной камеры ХК воздух поступает в компрессор К, где его давление повышается от p1 до p2, а температура – от Т1 до Т2. Сжатый компрессором воздух поступает в теплообменный аппарат (охладитель) ТА, где охлаждается при p2 = p3 = const, отдавая теплоту в окружающую среду. После этого воздух расширяется в детандере Д от давления p3 до p4, совершая полезную работу. При расширении его температура понижается от Т3 до Т4. Холодный воздух поступает в холодильную камеру, где он отбирает теплоту от охлаждаемого тела при постоянном давлении (p4 = p1 = const).
Рис. 4.1. Принципиальная схема воздушной холодильной установки
Рис. 4.2. Цикл воздушной холодильной установки:
1–2 – адиабатное сжатие воздуха в К;
2–3 – изобарный отвод теплоты от воздуха в ТА;
3–4 – адиабатное расширение воздуха в Д;
4–1 – изобарный подвод теплоты к воздуху в ХК
Удельное количество теплоты, подводимой к воздуху в холодильной камере (удельная холодопроизводительность установки), определяется из уравнения
, (4.2)
а удельное количество теплоты, отводимой в охладителе в окружающую среду, –
(4.3)
Удельная работа, затраченная на сжатие воздуха в компрессоре, находится как
, (4.4)
а удельная работа, полученная при расширении воздуха в детандере, –
. (4.5)
Работа, затраченная в цикле, определяется как
. (4.6)
С учетом этих выражений холодильный коэффициент (4.1) будет равен
. (4.7)
Расход холодильного агента в цикле, кг/с, определяется как
, (4.8)
где 
– полная холодопроизводительность установки, кВт.
Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора,
, (4.9)
а мощность детандера
. (4.10)
В качестве хладагентов в парокомпрессорных холодильных установках используются вещества с низкой температурой кипения при атмосферном давлении (аммиак, углекислота, фреоны). На рис. 4.3 приведена принципиальная схема парокомпрессионной установки.
Влажный пар хладагента поступает в испаритель холодильной камеры ХК, где вскипает при постоянном давлении (p4 = p1 = const). Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого тела, вследствие чего его температура понижается. Затем пар поступает в компрессор К, где его давление повышается от p1 до p2. Сжатый компрессором пар поступает в теплообменный аппарат (конденсатор) ТА, где он охлаждается при p2 = const, отдавая теплоту в окружающую среду, и конденсируется. Дальше жидкий хладагент дросселируется, проходя через дроссель Др, в результате чего его температура и давление понижаются, и часть хладагента испаряется без подвода теплоты извне. После дросселирования парогазовая смесь хладагента возвращается в испаритель для повторного испарения, замыкая таким образом цикл работы машины.
,
Рис. 4.3. Принципиальная схема парокомпрессорной
холодильной установки
В парокомпрессорных холодильных установках обычно используются два вида циклов:цикл с влажным ходом компрессора (см. рис. 4.4,а), в котором из холодильной камеры выходит влажный пар, а на выходе из компрессора получается сухой насыщенный пар; ицикл с сухим ходом компрессора (см. рис. 4.4,б), в котором из холодильной камеры выходит сухой насыщенный пар, а компрессор работает в области перегретого пара.
Рис. 4.4. Цикл парокомпрессорной холодильной установки,
а – влажный ход компрессора; б – сухой ход компрессора:
1–2 – процесс адиабатного сжатия пара в компрессоре;
2–3 – изобарный отвод теплоты от пара в окружающую среду;
3–4 – процесс дросселирования, h3 = h4;
4–1 – изобарно-изотермический процесс подвода теплоты
к хладагенту в холодильной камере
Теплота, подводимая к рабочему телу в холодильной камере, (удельная холодопроизводительность установки) определяется из уравнения
. (4.10)
Теплота, отводимая в охладителе в окружающую среду, –
. (4.11)
Работа, затраченная в цикле, определяется как
(4.12)
Энтальпия рабочего тела определяется по диаграммамили по таблицам, составленным для соответствующих хладагентов.
Используя холодильный цикл, можно отапливать помещения, "перекачивая" теплоту от холодного источника к горячему. Такие установки называются тепловыми насосами.
Эффективность теплового насоса оценивается величиной отопительного коэффициента eотоп,
. (4.13)
Задачи
4.1. Воздушная холодильная установка (см. рис. 4.1) имеет холодопроизводительность = 100 МДж/ч. Параметры воздуха на входе в компрессор (см. рис. 4.2): p1 = 1 бар и t1 = –5 oС. После сжатия воздух имеет давление p2 = 5 бар. Температура воздуха после охладителя t3 = 22 oС. Определить параметры воздуха в характерных точках цикла, удельную холодопроизводительность установки, затраченную в цикле работу, холодильный коэффициент, расход воздуха, мощности привода компрессора и детандера.