Глава 17 Циклы холодильных машин (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970)

Глава XVII. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

§ 83. Общие сведения и основные определения

Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружа­ющей среды и поддержание их в охлажденном состоянии в течение длительного времени составляют основную задачу сравнительно молодой отрасли техники — холодильной. Для многих производств такое охлаждение различных веществ, или, как его называют, производство холода, является неотъемлемой частью технологиче­ских процессов. В быту и на транспорте производство холода по­лучило широкое распространение при хранении и транспорти­ровании продуктов и для создания «искусственного микроклима­та» (кондиционирование воздуха). Для многих научных исследо­ваний требуется охлаждать исследуемые объекты до очень низких температур.

Процессы, связанные с производством холода, осуществляют­ся в комплексе специальных устройств, куда входят машины, теп-лообменные аппараты, арматура и т. п. Такой комплекс, в сущ­ности, представляет собой установку, подобную теплосиловой, но принято называть ее холодильной машиной.

С термодинамической точки зрения производство холода — это процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более на­гретым. Как следует из второго закона термодинамики, такой про­цесс не может протекать самопроизвольно. Для его обеспечения необходима затрата некоторого количества энергии. Чаще всего энергия затрачивается в форме работы. Поэтому обычно подроб­ному рассмотрению подвергают процессы, протекающие в холо­дильных установках, потребляющих работу от некоторого внеш­него источника. В таких установках в отличие от теплосиловых установок должен осуществляться обратный, или, как его часто называют, холодильный цикл.

Общий вид обратного цикла показан на рис. 135. По нижней его ветви 1А2 от источников теплоты, которые в данном случае служат «менее нагретыми телами», к рабочему телу отводится теп­лота q₂, которой соответствует площадка а1А2b. В процессе 2В1 (верхняя ветвь цикла) от рабочего тела отводится теплота q₁, пред-

211

ставляемая площадкой b2В1а. Эта теплота передается холодиль­никам, являющимся «более нагретыми телами». Для того чтобы процесс 2В1 был возможен, необходимо повысить температуру рабочего тела и поддерживать ее в соответствии с изменениями температуры источника теплоты. Это достигается путем подвода к рабочему телу энергии в форме работы. Величина этой работы эквивалентна площадке 1А2В1.

Рабочее тело отдает теплоту, отнятую источниками теплоты, холодильникам, а также теплоту, эквивалентную работе, затра­ченной при осуществлении цикла.

Очевидно, эффективность хо­лодильного цикла определяется двумя величинами: количеством теплоты, отведенной от охлаждае­мых тел (источников теплоты), и затрачиваемой за цикл работой. Отношение

Таким образом, теплота, отводимая от источников теплоты, по абсолютному значению меньше теплоты, передаваемой холо­дильникам, на величину работы, затраченной за цикл, т. е.

называется холодильным коэффи­циентом цикла.

В отличие от термического к. п. д. прямого цикла, который всегда меньше единицы, холодильный коэффициент обратного цикла может быть больше, меньше или равен единице.

Важной характеристикой холодильной машины является коли­чество теплоты, отводимой от охлаждаемого тела в единицу вре­мени. Эту величину называют холодопроизводителъностъю холо­дильной машины. Холодопроизводительность, отнесенная к еди­нице рабочего тела, при помощи которого осуществляется цикл, т. е. к единице так называемого холодильного агента, называется удельной холодопроизводителъностъю. Обычно пользуются мас­совой холодопроизводительностью, т. е. отнесенной к 1 кг холодиль­ного агента. Применяется также понятие объемной холодопроиз-водительности, отнесенной к единице объема рабочего тела (холо­дильного агента), взятого при некоторых условно выбранных параметрах.

Обычно у охлаждаемого тела (источник теплоты) и у тела, вос­принимающего теплоту (холодильник), поддерживают постоянные температуры. На практике первым телом является холодильная

камера с помещенными в ней предметами, вторым — вода, взятая из естественных водоемов, или воздух. В соответствии с этим теоре­тически система, в которой осуществляется холодильный цикл, состоит из двух источников теплоты постоянных температур. В такой системе наиболее эффективным циклом является обратимый цикл Карно (рис. 136).

Для этого цикла холодильный коэффициент

Очевидно, что при одной и той же температуре Т₂ источника теплоты понижение температуры Т₁ холодильника приводит к уме­ньшению работы, затраченной за цикл, и в конечном счете к увели­чению холодильного коэффициен­та е. При прочих равных условиях выгодно иметь возможно мень­шую температуру холодильника, т. е. тела, воспринимающего теп­лоту q1 от рабочего тела. Пониже­ние температуры охлаждаемого тела (углубление холода) при неизменяющихся прочих усло­виях влечет за собой увеличение работы, затраченной за цикл при одновременном уменьшении коли­чества теплоты, отводимой от ох­лаждаемого тела. Это уменьшает холодильный коэффициент. При равенстве q₂ = l холодильный ко­эффициент равен единице. Обратный цикл Карно, так же как и прямой цикл, является идеальным и служит для оценки совер­шенства циклов реальных холодильных машин.

Циклы холодильных машин и их схемы определяются назна­чением, глубиной охлаждения и свойствами используемого в них рабочего тела (холодильного агента).

§ 84. Типы холодильных машин

Воздушная холодильная машина. На рис. 137 показана схема воздушной холодильной машины. Если рабочее тело (воздух) считать идеальным газом, то идеальный цикл воздушной холодиль­ной машины в координатах р — v и Т — s представится фигурой 1234 (рис. 138 и 139).

213

Работа машины протекает следующим образом (рис. 137): воздух из холодильной камеры ХК с параметрами, соответству­ющими точке 1, поступает в компрессор КМ, где он сжимается

Холодильный коэффициент цикла

по изобаре 4—1, отбирает теплоту от охлаждаемых тел. Эта тепло­та соответствует площадке d41e (рис. 139). Затем цикл повторяет­ся в том же порядке.

Работа, затрачиваемая за цикл, равна алгебраической сумме работ компрессора l_К и детандера l_д (рис. 138):

Эта работа выражается через разности энтальпий, т. е.

Теплота, отводимая от охлаждаемого тела, определится как теплота в изобарическом процессе (рис. 139):

тогда, считая теплоемкость воздуха с_р постоянной, получим

д о давления р₂; теоретически сжатие происходит по адиабате 1 — 2. После компрессора в холодильнике X воздух охлаждается, теоре­тически при р = const, до температуры точки 3, которая соответ­ствует температуре охлаждающе­го тела (вода, воздух). С пара-

Выражение (139) можно преобразовать следующим образом:

метрами точки 3 рабочее тело поступает в расширительную машину или детандер Д, где расширяется по адиабате 3—4. В резуль­тате расширения воздух снижает свою температуру до температу­ры точки 4 и поступает в холодильную камеру ХК, где, нагреваясь,

^или

Для адиабаты сжатия 1—2

Для адиабаты расширения 3—4

Из сравнения уравнений (311) и (312) заключаем, что

По свойствам пропорций

Теперь выражения для холодильного коэффициента цикла принимают следующий вид:

Холодильный коэффициент можно выразить также и через отношения давлений

Уравнения (315) и (316) легко преобразовываются в следую­щие:

Уравнение (319) — это холодильный коэффициент идеального цикла воздушной холодильной машины.

В настоящее время воздушные холодильные машины применя­ются только для производства так называемого глубокого холода, т. е. для сжижения воздуха или его очистки.

Паровая компрессорная холодильная машина. В паровой ком­прессорной холодильной машине в качестве рабочего тела (холо­дильного агента) применяются легкокипящие жидкости т. е. ве­щества, имеющие при любой температуре цикла невысокие дав­ления насыщения. К этим жидкостям относятся: углекислота С0₂, аммиак NH₃, хлорметил СН₃С1, сернистый ангидрид S0₂ фреоны.

Холодильный цикл этой машины близок к обратному циклу Карно.

Абсорбционные холодильные машины. Абсорбцией называется процесс поглощения одного тела другим. На этом принципе рабо­тают абсорбционные холодильные машины. Обычно в качестве поглощающего агента применяется вода, поглощаемым агентом

служит аммиак. Основной частью установки является испаритель. В нем при постоянных температуре и давлении аммиак испаряется, при этом он отбирает теплоту от теплоносителя, вследствие чего температура в холодильной камере понижается. Пар аммиака поглощается водой. Абсорбционные машины получили большое распространение в бытовых холодильниках.