9.12. Цикл воздушной холодильной машины. Тепловой насос

В холодильных установках происходит процесс передачи теплоты от охлаждающего тела к окружающей среде. Этот процесс осуществляется рабочим телом холодильной машины, так называемым холодильным агентом (хладоагентом). Эффективность цикла холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом ( ), равным отношению количества теплоты (q₂), отведенного от охлаждаемого тела, к затраченной работе (l_ц). В обратных циклах затрата внешней работы представляет собой компенсационный процесс, необходимый для осуществления такого цикла.

Холодильный коэффициент для 1 кг хладоагента, участвующего в цикле, равен:

. (9.15)

Если осуществляется обратный цикл Карно в интервале температур Т_{1 –} Т₂, в ходе которого отбирается от холодильного источника теплота q₂ и передается источнику (окружающей среде) теплота q₁ , то имеем:

. (9.16)

Формула (9.16) показывает, что зависит от температуры Т₂ и температуры окружающей среды (Т₁) . Можно доказать, что холодильный коэффициент цикла Карно не будет зависеть от выбора рабочего тела цикла.

Для определения работы и мощности, необходимой для осуществления обратного цикла, надо знать холодопроизводительность (Q) – количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени:

;

,

где L – работа; Q – холодопроизводительность, Дж/с, N – мощность – кВт.

Цикл воздушной холодильной машины

О собенность воздушных холодильных машин состоит в том, что воздух, имея малую теплоемкость, обеспечивает сравнительно небольшую холодильную мощность, а поэтому для нормальной работы установки требуются большие массовые расходы воздуха.

Основными элементами установки для получения холода (рис. 9.31) являются компрессор 3 и детандер 1. Кроме них имеются два теплообменных аппарата, в одном из них – рефрижераторе 4 воздух воспринимает теплоту от охлаждаемой емкости, а во втором – холодильнике 2 отдает теплоту окружающей среде или воде холодильника.

Процессы в холодильнике и рефрижераторе идут при постоянном давлении, если пренебречь гидравлическими сопротивлениями. В компрессоре давление повышается от p₁ до р₂, в детандере падает от р₂ до р₁, причем процессы сжатия и расширения считают адиабатными. Таким образом, идеализированный цикл холодильной машины (рис. 9.32) состоит из двух изобар (2–3 и 4–1) и двух адиабат (1–2 и 3–4). Этот цикл называется циклом Лоренца.

Р асчет цикла проводится следующим образом. Количество теплоты, отбираемое воздухом от охлаждаемой емкости (холодного источника) в изобарном процессе 2–3, равно:

.

Количество теплоты, отдаваемое воздухом в окружающую среду (охлаждающей воде) в изобарном процессе 4–1, равно:

.

Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, найдем:

.

Тогда работа, необходимая для осуществления цикла, равна:

.

Подставляя выражения для q₂ и l_ц в формулу (9.15), получим:

или

. (9.17)

Для адиабатного процесса 3–4 можно записать:

(9.18)

и аналогично для адиабатного процесса 1–2

. (9.19)

Т ак как для изобарных процессов 4–1 и 2–3 p₁ = p₄ и р₂ = р₃, то из уравнений (9.18) и (9.19) имеем:

.

Тогда уравнение (9.17) можно переписать в виде:

или

.

Таким образом, холодильный коэффициент цикла зависит только от отношения давлений р₁/р₂. При постоянных температурах окружающей среды и охлаждаемой емкости рассматриваемый цикл является внешне необратимым. Это вызвано тем, что изобарные процессы теплообмена протекают при конечной разности температур, поэтому холодильный коэффициент этого цикла, по сравнению с холодильным коэффициентом цикла Карно меньше.

Из рис. 9.33 видно, что в обратном цикле Карно отбирается теплоты больше, чем в цикле Лоренца:

пл. 1'3ba1' > пл. 23bа2,

а работа, затрачиваемая и цикле воздушной холодильной установки, больше, чем в обратном цикле Карно:

пл. 12341>пл. 11'33'1.

Цикл теплового насоса

Тепловым насосом называется специальное устройство для отопления помещений. По принципу действия тепловой нacoc может быть отнесен к холодильным машинам, так как он, как и эти машины, переносит теплоту в цикле с нижнего температурного уровня на верхний с затратой для этого внешней работы в соответствии со вторым началом термодинамики. Следовательно, цикл теплового насоса – это обратный цикл, как и циклы холодильных машин.

О днако используются холодильные машины и тепловой насос для разных целей. Цель работы холодильных машин состоит в том, чтобы поддерживать в холодильной камере постоянную и при том более низкую температуру, чем температура окружающей среды (Т₀). Для этого холодильные машины должны отводить из этой камеры теплоту, самопроизвольно проникающую в нее (несмотря на изоляцию) из внешней среды, и затем отводить эту теплоту в окружающую же среду, но при более высокой температуре.

Цель работы теплового насоса другая. Он должен поддерживать в помещении тоже постоянную, но более высокую температуру, чем Т₀, за счет отбора теплоты из окружающей среды. Эту теплоту тепловой насос переносит на более высокий температурный уровень, соответствующий температуре в помещении, где она воспринимается водой, циркулирующей в отопительной системе. Таким образом, компенсируется самопроизвольный переход теплоты из отапливаемого помещения в окружающую среду.

В тепловом насосе (рис. 9.34) имеется испаритель 1, в котором происходит превращение конденсата холодильного агента в парообразное состояние. В этом процессе к конденсату подводится теплота из окружающей среды. Такой средой в данном случае является вода, забираемая из водоема и прокачиваемая через испаритель насосом 2. Получившийся в испарителе пар хладоагента отводится в компрессор 6, где он сжимается с повышением температуры, после чего направляется в конденсатор 3. Здесь пар конденсируется, а выделившаяся при этом теплота воспринимается водой, циркулирующей в отопительной системе 5, обогревающей помещение 4. Конденсат же, пройдя через редукционный вентиль 7 для понижения давления, поступает в испаритель.

Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом:

,

где q₁ – количество теплоты, сообщаемое нагреваемому объекту; l_ц – работа, подводимая к рабочему телу в цикле.

Если в целях отопления используют определенную холодильную машину с холодильным коэффициентом , то . Тогда

. (9.20)

Следовательно, чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент.

Так как в тепловом насосе , то и > 1. Значение отопительного коэффициента в реальных тепловых насосах равно 3... 5.

Если бы тепловой насос работал по циклу Карно, то с учетом формул (9.16) и (9.20)

.

При постоянной температуре нижнего источника теплоты (Т₂) эффективность теплового насоса будет зависеть от температуры, при которой рабочее тело отдает теплоту в отопительную систему. Этой температурой и нужно руководствоваться при выборе теплоносителя.