4.4. Обратные циклы (циклы холодильных машин)

Последовательность процессов в цикле может быть такая, что расширение рабочего тела термодинамической системы происходит при более низком давлении, чем сжатие (рис. 4.4,а)

Направление протекания этих процессов происходит против часовой стрелки, и они называются обратными циклами.

Рис. 4.4. Обратный цикл: а – изображение цикла холодильной машины (обратного цикла) в рабочей диаграмме, б – изображение цикла холодильной машины (обратного цикла) в тепловой диаграмме

В этом случае работа на участке BDA (L_сж = пл.eADBf) будет отрицательна, а на участке ACB (L_расш = пл.eACBf) – положительна. Так как пл.eADBf > пл.eACBf, то работа за цикл будет отрицательна (L_ц < 0):

L_ц = L_расш – | L_сж| = пл. eACBf - пл.eADBf < 0.

В соответствии с уравнением первого закона термодинамики q_ц = L_ц, т.к. ΔU_ц = 0, поэтому теплота этого цикла также должна быть отрицательной: q_ц < 0.

Для этого необходимо, чтобы теплота подводилась к термодинамической системе при низкой температуре (линия CBD на рис. 4.4,б), а отводилась – при более высокой температуре (линия DAC). В этом случае:

q_ц = q₁ – | q₂ | = пл.mCBDn – пл.mCADn = пл.CBDAC < 0.

Обратим внимание на то, что при осуществлении такого цикла (в какой-либо машине) в процессе СBD рабочее тело машины отбирает теплоту в количестве q₁ от холодного тела в окружающей среде, а в процессе DAC отдает теплоту в количестве q₂ другому телу в окружающей среде, имеющему более высокую температуру, чем первое тело. Таким способом осуществляется передача теплоты с низшего температурного уровня на высший, т.е. производится охлаждение некоторых тел окружающей среды. Это охлаждение обязательно сопровождается превращением работы L_ц, подведённой к машине, в теплоту q_ц. Одновременно с охлаждением одних тел в окружающей среде обязательно происходит нагревание других тел, которые получают как теплоту, взятую у холодного тела, так и теплоту, в которую превратилась работа цикла:

| q₂ | = q₁ – | q_ц | = q₁ – | L_ц | (4.8)

Т аким образом, для осуществления обратного цикла (цикла холодильных машин) необходимо затратить механическую работу кого-либо постороннего источника работы. На рис. 4.5. изображена схема, отображающая принципиальные условия работы холодильной машины.

Рис. 4.5. Принципиальная схема работы холодильной машины

Холодильные установки (холодильные машины, просто холодильники) – это тепловые машины, служащие для отвода внутренней энергии от охлаждаемого тела, температура которой ниже температуры окружающей среды.

Холодильные установки используются для получения температуры от -10 °С до 15 °С.

Характеристикой холодильной установки является его холодильный коэффициент (ε), равный отношению количества теплоты отнятого от охлаждаемого тела q₂ к затраченной работе цикла L_ц (эта работа внешнего источника работы). Поэтому холодильный коэффициент для 1кг холодильного агента (рабочее тело), участвующего в цикле определяется следующей формулой:

^. (4.9)

Если осуществляется обратный цикл Карно (идеальная холодильная машина) в интервале температур T₁…T₂, в ходе которого отбирается от холодного источника теплота q₂ и передается источнику (окружающей среде) теплота q₁, то на основании (4.5) и (4.6) имеем:

^. (4.10)

В качестве примера осуществления обратного цикла (цикла холодильной машины) познакомимся с работой бытового (компрессионного) холодильника. Компрессионная холодильная машина состоит из компрессора 1, испарителя 2 и конденсатора 3, заполненных хладагентом (рис. 4.6.).

Рис. 4.6. Схема компрессионной холодильной машины

В качестве хладагента обычно применяется фреон – 12 (CF₂CL₂) – дифтордихлорметан. Он взыровобезопасен, не имеет запаха и обладает низкой температурой кипения (-29 °С при атмосферном давлении).

При работе компрессора, приводимого в действие электродвигателем, происходит отсасывание паров фреона из испарителя 2. Из-за пониженного давления процесс испарения ускоряется. Пары фреона сжимаются компрессором, при этом их температура повышается. В конденсаторе-теплообменнике 3, расположенном на задней стенке холодильника, пары фреона охлаждаются до комнатной температуры, отдавая некоторое количество теплоты окружающей среде, и конденсируются при постоянном давлении p₁.

После прохождения фреона по капиллярным трубкам 4, 5, в испарителе давление снижается от p₁ до p₂. Жидкий фреон при понижении давления испаряется, его температура, и температура стенок испарителя понижаются. Такая циркуляция фреона происходит непрерывно, пока работает компрессор.

В конденсаторе холодильника выделяется количество теплоты q₁ = q₂ + L_ц, где L_ц – работа, совершённая электродвигателем компрессора, q₂ – количество теплоты, отнятое у среды, окружающей испаритель.