9.2.2. Цикл газової холодильної машини

У газових холодильних машинах холодоагентом є газ, що задовольняє вимоги до холодоагентів. Найбільш поширеним робочим тілом є повітря та інші гази, які при всіх змінах їх параметрів у холодильних машинах не конденсуються і залишаються в газоподібному стані.

На рис. 22 наведена принципова схема повітряної холодильної машини і показаний цикл цієї установки у T – S - діаграмі.

Рис. 22. Схема і цикл повітряної холодильної машини в T – S - координатах:

1 – турбодетандер (машина для розширення); 2 – охолоджувана камера (нагрівач РТ); 3 – компресор; 4 – привід компресора; 5 – охолоджувач РТ

Характеристика процесів циклу:

- процес 1 – 2 (dq = 0, dS = 0 T₂ > T₁, P₂ < P₁), адіабатне розширення газу від тиску Р₁ до тиску Р₂ в охолоджуваній камері. При використанні турбодетандера процес може проходити з одержанням корисної роботи. У процесі 1 – 2 температура робочого тіла, яка повинна бути меншою за температуру охолоджуваних тіл для забезпечення відводу від них теплоти q_2, зменшується від Т₁ до Т₂ ;

- процес 2 – 3 (T₃ > T₂, P₂ = P₃=const), ізобарний процес, у ході якого холодоагент із температурою Т₂ надходить в охолоджувану камеру, відбирає теплоту q₂ від охолоджуваних тіл, а сам нагрівається до температури Т₃. Кількість теплоти, що відводиться від холодного джерела, визначається за залежністю: = і₃ – і₂, кДж/кг (128);

- процес 3 – 4 (dq = 0, dS = 0 T₄ > T₃, P₃ < P₄), адіабатний процес стискування газу в компресорі від тиску Р₃ в охолоджуваній камері до Р_4, в охолоджувачі газу. Процес супроводжується збільшенням температури робочого тіла від Т₃ до Т₄ і підводом зовнішньої енергії у вигляді роботи на привід компресора (див. залежності 61, 62, 63);

- процес 4 – 1 (T₄ > T₁, P₁ = P₄ = const), ізобарне відведення теплоти q₁ у навколишнє середовище від холодоагенту в охолоджувачі РТ. Температура холодоагенту при цьому зменшується від Т₄ до Т₁, а кількість теплоти, що відводиться від РТ і передається гарячому джерелу, визначається за формулою

Холодильний коефіцієнт циклу газової ХМ теоретично дорівнює

Якщо стискування газу в процесі 3 – 4 і його розширення в процесі 1 – 2 відбувається при однаковому показнику політропи n = k, то із (130) можна одержати

Отже, холодильний коефіцієнт циклу залежить від співвідношення тисків Р₁/Р₂ (до й після детандера), а також від відношення температур, між якими працюють компресор (Т₄ та Т₃) і детандер (Т₁ та Т₂). При зближенні температур Т₁ та Т₂ і зменшенні відношення Р₁/Р₂ холодильний коефіцієнт збільшується Але при цьому зменшується кількість теплоти q_2, що відбирається від охолоджуваного об’єкта холодоагентом (питома холодопродуктивність). Для збереження холодопродуктивності необхідно збільшувати витрати робочого тіла ( холодоагента), розміри і потужність компресора. Температури Т₁ та Т₃ у реальному циклі близькі відповідно до гарячого й холодного джерел теплоти.

Для створення перепаду температур і здійснення теплообміну в охолоджувачі і нагрівачі РТ (2 і 5) при р = const за відсутності фазових перетворень робочого тіла температуру холодоагенту на вході в охолоджувану камеру (2) необхідно суттєво зменшувати порівняно з температурою Т₃, а на вході в охолоджувач газів (5) – суттєво збільшувати порівняно з Т₁. На це витрачається додаткова енергія, еквівалентна площі 1 – 4_К – 4 і 2 – 2_К – 3. При здійсненні в межах тих же температур гарячого Т₁ і холодного Т₃ джерел теплоти ідеального циклу Карно процес на T – S-діаграмі зображався б циклом 1 – 2_К – 3 – 4 – 4_К. Холодильний коефіцієнт такого циклу визначається за залежністю

Із залежностей (124) і (132) видно, що величина  для повітряної холодильної машини завжди буде в декілька разів меншою від холо- дильного коефіцієнта _к циклу Карно за умови здійснення циклів в однаковому інтервалі температур гарячого Т₁ і холодного Т₃ джерел теплоти.

Повітряні холодильні машини використовують за умови регенерації теплоти РТ після турбокомпресора за неможливості використання інших робочих тіл, наприклад горючих і токсичних холодоагентів, а також за необхідності одержання дуже низьких температур (температура переходу у рідку фазу суміші азоту і кисню, що входять до складу повітря, становить близько – 190 ⁰С при тиску 2-5 ата).