Лекція №10. Цикли холодильних машин

Холодильні машини призначені для штучного охолодження приміщень і різних тіл нижче від температури навколишнього середовища. Здійснення такого процесу можливе тільки за умови зворотного теплового циклу й підведення до нього ззовні роботи. Робота стискування у такому циклі більша за роботу розширення за рахунок підведеної роботи, а теплота передається від холодного джерела теплоти до гарячого.

Основні показники роботи холодильної машини:

l_з − зовнішня робота, що підводиться до циклу і віднесена до 1кг р.т.(кДж/кг)

l_з = q₁ – q₂;

q₁ – теплота, яка передається гарячому джерелу теплоти (в навколишнє середовище) при температурі Т₁ на 1 кг р.т., кДж/кг;

q₂ – теплота, що відбирається від холодного джерела теплоти (питома холодопродуктивність) при температурі Т₂ на 1 кг р.т., кДж/кг;

 – холодильний коефіцієнт – характеристика економічності холодильної

машини (ХМ), відношення теплоти, відведеної від холодного тіла, до витраченої при цьому роботи

;

Q₂, або N_x (холодопродуктивність, або холодильна потужність ХМ ), − кількість теплоти, що відводиться від охолоджуваного об‘єкта (холодного джерела теплоти) за одиницю часу

Q₂ = N_x = q₂·m, кВт,

де m – секундні масові витрати холодоагента – робочого тіла холодильної машини, кг/с.

Цикл ідеальної холодильної машини здійснюється за зворотним циклом Карно, в якому підведення (процес 3 – 4) і відведення (процес 2 – 1) теплоти до робочого тіла проходить по ізотермах, а стискування (процес 3 – 2) і охолодження (процес 1 – 2) – по адіабатах.

Зворотний цикл Карно проходить аналогічно прямому циклові, показаному на рис.1, але у зворотному напрямку.

Ідеальний цикл Карно холодильної машини можливо здійснити теоретично за таких умов:

1. Компресор без утрат енергії, в якому адіабатно (без теплообміну з навколишнім середовищем) стискується вологий пар. Зовнішня робота, що підводиться, витрачається виключно на зміну внутрішньої енергії робочого тіла. У процесі стискування рідка фаза вологого пару випаровується й утворю-

ється суха насичена пара. У реальних умовах стискування проходить при n ≠ k, а наявність рідкої фази у компресорі приводить до гідравлічних ударів.

2. Конденсатор нескінченної поверхні, в якому пара перетворюється в рідку фазу при температурі навколишнього середовища. У реальних умовах температура конденсації на 5 – 15 ⁰С вища за температуру навколишнього середовища і становить приблизно 45 ⁰С, поверхня конденсатора визначається розрахунком, має певну кінцеву величину та обмежена економічними міркуваннями.

3. Дросельний вентиль без утрат, у якому РТ адіабатно розширюється. Реально в дроселі виділяється теплота тертя, частина РТ випаровується, ентропія в процесі дроселювання збільшується, інтегральний дросель - ефект падає. Внаслідок цього холодопродуктивність ХМ зменшується. Реальний процес протікає не за адіабатою, а за ізоентальпією і₁ ≈ і₂ = const.

4. Випаровувач нескінченної поверхні, в якому вся рідка фаза перетворюється в парову при температурі охолоджуваного тіла (холодного джерела). Реально випаровувач має певну поверхню.

5. Усі процеси зворотні, а в цілому для циклу . Реальні процеси не зворотні, а .

За принципом роботи холодильні машини поділяються на парові, газові і термоелектричні, за способом підведення зовнішньої роботи – на компресорні, струминні, термоелектричні та абсорбційні, а за холодоагентом – на аміачні, фреонові, газові й т.д.