Лекция № 3

ПЛАН

1. Термодинамические основы холодильных машин

2. Обратный цикл Карно

Термодинамические основы холодильных машин

Холодильной машиной - называется комплекс механизмов и аппаратов осуществляющих цикл холодильного обмена.

Холодильную машину с устройствами для распределения холода по охлаждаемым обьектам с изоляционными конструкциями называют холодильной установкой.

Схема простейшей холодильной машины

Т_К Р_К Т_ОКР

К

РВ А

А - компрессор

К - конденсатор

РВ - регулирующий вентиль (дроссель)

И - испаритель

Б - камера с изоляцией

И

Q_O Т_O P_O

Т_ОКР

Б

Температура кипения и конденсации жидкости зависит от давления, чем оно ниже, тем ниже температура кипения и конденсации холодильного агента.

В охлаждаемом помещении или аппарате расположен испаритель который представляет собой систему труб, в которых кипит холодильный агент при низком давлении Р_о и соответствующей ему температуре кипения Т_о .

Поскольку температура кипения (Т_о) ниже температуры помещения (Т_пом) , то тепло Q_o поступает в испаритель и поглощается кипящим холодильным агентом в виде скрытой теплоты кипения.

Низкое давление паров холодильного агента в исп

арителе непрерывно поддерживается в результате отсасывания их в компрессором.

Пары, отсасываемые от испарителя, сжимаются компрессором до давления Р_К и соответствующая ему температура Т_К, и подается в конденсатор, в котором сжижаются, отдавая теплоту конденсации окружающей среде (воде, воздуху).

Жидкий холодильный агент из конденсатора поступает в испаритель через регулирующий вентиль (РВ), дросселирующий (производящий мятие) его с давления Р_К до давления Р_О и процесс повторяется снова.

Таким образом, всякая паровая машина в ростейшем виде должна состоять из четырех частей:

• испарителя, забирающего тепло из охлаждаемого помещения;

• конденсатора, отдающего тепло окружающей среде;

• компрессора, переводящего тепло на более высокий температурный уровень;

• регулирующего вентиля или расширительного цилиндра.

Все эти части похожи в различных машинах, различающихся в основном принципом действия и конструкцией компрессора.

Обратный цикл Карно

Наиболее выгодным циклом для получения энергии при переносе тепла с высшего на нисший температурный уровень является цикл Карно.

Этот цикл состоящий из 2 изотерм (процесс при Т = const), по которым тепло забирается и отводится и двух адиабат (процесс без подвода и отвода тепла), по которым тепло переводится с одного температурного уровня на другой.

Такой цикл, относящийся к тепловому двигателю называется прямым циклом Карно.

В отличии от него теоритический цикл холодильной машины (перенос тепла с нисшего температурного уровня на высший, с затратой работы) называется обратным циклом Карно.

Адиабатический процесс сжатия в цикле Карно осуществляется в компрессоре с затратой работы на расширение в расширительном цилиндре.

В теоритическом цикле Карно:

Т_{КОНДЕНСАЦИИ} = Т_{ОКРУЖ.СРЕДЫ}

Т_{ПОМЕЩЕНИЯ} = Т_{ИСПАРИТЕЛЯ}

А_l

Т

q

Т_К ∆_К г

Теплопередача через изоляцию

Т_ОКР

Т_ПОМ

Т_О а

∆_О

S₁ S₂ S

Количество тепла, подведенного испарителем к одному кг холодильного агента, циркулирующего в системе, выражается в S(T) площадью абS₂S₁ , соответственно:

(1-1)

Количество тепла отведенного от 1кг холодильного агента в конденсаторе площадью гвS₁ - S₂:

(1-2)

Разность между q и q_o представляет собой работу, затраченную в холодильной машине на передачу тепла с одного уровня на другой.

Площадь абвг - работа.

(1-3)

А=1 / 427 ккал / кг · м = 1/ 102 кДж / кг · м

где: A - тепловой эквивалент механической энергии

- количество тепла, отданное в конденсаторе в окружающую среду равно сумме количества тепла поступившего в испаритель от охлаждаемого помещения, и теплового эквивалента работы компрессора.

Экономичность холодильной машины определяется величиной холодильного коэффициента Е, представляющей собой отношение холодильной производительности к затраченной работе:

, q _o - холодопроизводительность

Для обратного цикла Карно холодильный коэффициент с учетом уравнений (1-1,1-3) равен:

(1-5)

Из (1-5) следует, что холодильный коэфициент увеличивается с повышением температуры кипения Т_о холодильного агента и понижение температуры конденсации Т_к .

Для повышения экономичности холодильной машины надо работать с возможно низкой температурой конденсации.

Т_К > Т_{ОКР. СРЕДЫ}

Экономичность теплового насоса определяется коэфициентом преобразования μ, который представляет собой отношение количества тепла, получаемого в конденсаторе к затраченной работе.

(1-6),(1-7)

Величина μ в обратном цикле всегда будет больше 1.

Из уравнения (1-3) видно, что работа, затраченная на перенос тепла с низшего температурного уровня на высший равно произведению разности этих температур на приращение энтропии.

Всякая затрата энергии равна произведению разности потенциалов на приращение некоторой величины (энтропии)

Энтропия является таким же параметром состояния вещества, как и температура, давление, энтальпия и т.п.

Для определения изменения состояния тела имеет значения только разность энтропии в начальном и конечном состоянии тела, а не абсолютная величина.

Дифференциал энтропии равен отношению бесконечно малого количества сообщенного телу тепла к абсолютной температуре.