4.4 Циклы холодильных машин

Холодильными машинами или термокомпрессорами называются машины, непрерывно поддерживающие заданные температуры окружающей среды

Холодильные машины подразделяются на :

- воздушные (газовые);

- паровые;

- пароэжекторные;

- абсорбционные;

- 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 в качестве рабочего тела

(хладагента) используются жидкости с низкими температурами кипения (пары различных

веществ: аммиака (NH₃). углекислоты (CO₂), сернистого ангидрида (SO₂), фреонов

(фторхлорпроизводных углеводородов)). Ввиду простоты конструкции, 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, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой.

В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества,

Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные установки, в

которых для получения низких температур используется энергия в виде теплоты.

Абсорбцией называется процесс поглощения пара одного вещества другим (жидким)

веществом-абсорбентом; при этом температура абсорбционного пара может быть ниже температуры абсорбента.

Например, аммиак активно абсорбируется с водой. 1 объём воды: 1148 объёмов парооб

разного аммиака. Поглощение (абсорбция) жидкого аммиака в воде сопровождается значительным выделением тепла ( на 1 кг NH₄ около 800 кДж ). Ещё больше количества тепла выделяется при растворении в воде паров аммиака (1260 кДж /кг)

Большое распространение получили водоаммиачные абсорбционные установки , в которых аммиак является хладагентом, а вода – поглотителем- абсорбентом.

Холодильные машины работают по обратному циклу, т.е.циклу, изображенному в тепловых диаграммах ( p-w, T-s ) в направлении против часовой стрелки. Наивыгоднейшим циклом холодильной машины, осуществляемым между двумя источниками тепла с температурамиT₁ иT₂, будет обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис.4.4).

а) T-Sдиаграмма б)p-wдиаграмма

Рис. 4.4 Цикл холодильной установки

Рассмотрим процессы цикла: 1-2– адиабатное сжатие рабочего тела (хладагента);

2-3 – изотермическое сжатие с отводом теплотыq₁ в окружающую среду;3-4 –адиабатное

расширение; 4-1-изотермическое расширение с отводом теплотыq₂к хладагенту от охлаждаемого в холодильнике тела.

В соответствии с обратным (холодильным) циклом Карно (рис.4.4, б) теплота q₂от охлаждаемого тела (холодильный источник теплоты с температуройT₂) подводится к рабочему телу установки по изотерме4-1,после чего происходит адиабатное сжатие рабочего тела1-2, в процессе которого температура повышается до температурыT₁горячего источника теплоты. При температуреT₁сумма теплотыq₂и работы

цикла ( например, работы компрессора) равна q₁, передаётся этому источнику теплоты по

изотерме 2-3. Затем происходит расширение рабочего тела по адиабате3-4 и температура

его вновь уменьшается до T₂. После этого цикл возобнавляется.

Холодильный коэффициент для рассматриваемого цикла Карно примет вид

. (4.25)

Из полученного выражения следует,что экономичность цикла тем выше, чем меньше разнятся друг от друга температуры обоих источников, т.е. чем меньше затрачиваемая работа l_цпри данном количестве теплотыq₂.