Термодинамические основы холодильных машин

Принцип действия холодильной машин основан на втором законе термодинамики: для передачи теплоты от холодного тела к теплому необходима затрата некоторой внешней работы.

Математически второй закон термодинамики выражается уравнением:

| Q |= | Q ₀ |+| L |,                                           (1.1)

где | Q | — абсолютное значение теплоты, переданной теплому телу, Дж;

| Q ₀ | — абсолютное значение теплоты, отведенной от холодного тела, Дж;

| L | — внешняя работа, затраченная на передачу теплоты, Дж.

Машины, отбирающие теплоту от холодного тела и передающие ее нагретому, называются холодильными. Теплота от тела с низкой температурой переносится к телу с высокой температурой рабочим телом, циркулирующим в холодильной машине.

Холодильные машины, на работу которых затрачивается механическая энергия, относятся к компрессионным холодильным машинам, а в которых затрачивается тепловая энергия, к абсорбционным и пароэжекторным. В качестве рабочего тела могут быть использованы холодильные агенты и воздух. В первом случае холодильный эффект получают вследствие изменения агрегатного состояния рабочего тела – кипения жидкого холодильного агента при низких температурах. Холодильные машины, работающие с использованием холодильных агентов, называют паровыми. Во втором случае охлаждение достигается в результате перехода теплоты от охлаждаемой среды к холодному воздуху. Холодильные машины, работающие по этому принципу, являются воздушными. Преимущественно применяются паровые холодильные машины.

На рис. 1.2 показан принцип работы холодильной машины. Рабочее тело отводит от холодного (охлаждаемой среды) теплоту Q ₀ и передает ее нагретому, в качестве которого используют окружающий воздух или воду. По второму закону термодинамики для такого переноса следует затратить работу L.

 

Рисунок 1.2 - Принцип работы холодильной машины

 

Отдав нагретому телу теплоту Q = Q₀ + L, рабочее тело способно вновь отвести от холодного тела теплоту Qо, и процесс повторяется. Таким образом, рабочее тело в холодильной машине совершает круговой процесс или цикл. Цикл, на осуществление которого затрачивается работа, а результатом является перенос теплоты от холодного тела к теплому, называется обратным циклом. Хо­лодильная машина работает по обратному циклу.

Тепловые диаграммы s — Т и i — lg р. Тепловые диаграммы служат для определения параметров рабочего тела при расчетах циклов холодильных машин. Наибо­лее распространенные диаграммы с осями: энтропия

В s—T-диаграмме (рис. 1.3, а) на оси абсцисс откладывают энтропию, по оси ординат – абсолютную температуру, соответственно сетка диаграммы образована адиабатами S=соnst (вертикальные прямые) и изотермами Т= соnst (горизонтальные прямые).

 

Рисунок 1.3 – Принцип работы холодильной машины.

Диаграмма состояния холодильного агента

а — диаграмма s — энтропия, Т — температура;

б — диаграмма i — энтальпия, lg р — давление;

1 — область жидкости; 2 — область влажного пара; 3 — область перегретого пара

 

По сетке наносят пограничные кривые: левую, или нижнюю, пограничную кривую, обозначаемую х=0 (х – паросодержание), и правую, или верхнюю, пограничную кривую, обозначаемую х=1. Точки нижней пограничной кривой характеризуют состояние насыщенной жидкости, т. е. жидкости, доведенной до температуры кипения. Точки, лежащие на верхней пограничной кривой, характеризуют состояние сухого насыщенного пара. Слева от нижней пограничной кривой находится область жидкости, между пограничными кривыми – область влажного пара, справа от верхней пограничной кривой – область перегретого пара. На диаграмму нанесены изобары р=const, изохоры V=const, линии постоянной энтальпии i-const, для области влажного пара – линии постоянного паросодержания х=const. Для области влажного пара линии р= constи T= const совпадают.

В диаграмме s – Т теплота, подведенная к рабочему телу или отведенная в процессе от рабочего тела, эквивалентна площади, ограниченной линией процесса, осью абсцисс и крайними ординатами. В диаграмме i – lg р (рис. 1.3, а) сетку диаграммы образуют линии постоянной энтальпии, или изоэнтальпы (вертикальные прямые) и изобары (горизонтальные прямые); приэтом по оси ординат принят логарифмический масштаб lg р. На диаграмме нанесены пограничные кривые, а также изобары p=const, изотермы T=const, изохоры V=const, изоэнтальпы i=const, адиабаты s=const, линии постоянного паросодержания = const. В этой диаграмме теплота, подведенная в изобарном процессе и равная разности энтальпий, изображается отрезком оси абсцисс.

Обратный цикл Карно. Обратный цикл Карно (рис. 1.4) является идеальным циклом холодильной машины.

 

Рисунок 1.4 – Обратный цикл Карно

 

В качестве рабочего тела в цикле принят идеальный газ. Допущено, что подвод теплоты от источника низкой температуры к рабочему телу (процесс 4 – 1) происходит при отсутствии разности температур между ними, т. е. источник низкой температуры, и рабочее тело имеют температуру Т_о. Аналогично происходит отвод теплоты рабочего тела к источнику высокой температуры (процесс 2 – 3) при одинаковой температуре Т_к. Практически переход теплоты при таких условиях невозможен. Изучение цикла Карно очень важно, так как он показывает какое наибольшее количество холода может быть при наименьшей затрате работы в условиях Т_о и Т_к.

Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. В изотермическом процессе 4-1 от источника низкой температуры (охлаждаемой среды) при температуре Т_о и давлении р_о к рабочему телу подводится теплота q0. эквивалентная площади в — 4—1—а.

В адиабатном процессе 1 – 2 рабочее тело сжимается от начального давления р₀ до давления р_к, при этом температура его повышается от T_о до T_к, на сжатие затрачивается работа l _сж. В изотермическом процессе 2 —3 при температуре T_к и давлении р_к рабочее тело отдает источнику высокой температуры (нагретому телу) тепло­ту ц_к, эквивалентную площади в — 3 — 2 — а. В процессе 3 — 4 рабочее тело адиабатно расширяется, совершая ра­боту l _расш. При этом давление уменьшается от р_к до р₀, а температура понижается от T_к до T₀ в результате чего рабочее тело вновь приобретает способность отводить теплоту от источника низкой температуры, и цикл повторяется. Для переноса теплоты q₀ от источника низкой температуры к источнику высокой температуры требуется работа l _o = l _сжат – l _{расш .} В соответствии со вторым законом термодинамики тепловой баланс холодильной машины выражается уравнением q_k = q ₀ + l ₀.

Работа l ₀ может быть выражена площадью 1-2-3-4.

Эффективность холодильного цикла определяется холодильным коэффициентом

Холодильный коэффициент - это отношение количества теплоты, отведенной от источника низкой температуры, к затраченной в цикле работе, которая может быть выражена формулой

L ₀ = q_k – q ₀

Следовательно,

                     (1.2)

Как видно из формулы (1.2), холодильный коэффи­циент цикла Карно не зависит от физических свойств рабочего тела, а является лишь функцией температур  и будет тем больше, чем выше  и ниже . Чем больше холодильный коэффициент, тем экономичнее работа холодильной машины, т.е. тем меньше работы затрачивается для получения единицы холода. Количество теплоты q _о кДж/кг, подведенной к 1 кг «холодильного агента от источника низкой температуры при работе холодильной машины, называется удельной массовой холодопроизводительностью холодильного агента.

Количество теплоты q_v (в кДж/м³), которое отбирает холодильный агент от источника низкой температуры, в результате чего образуется 1 м³ пара, представляет собой объемную холодопроизводительность

где     v —удельный объем образующихся паров холодильного агента, м³/кг.

Удельная и объемная холодопроизводительность зависят от условий работы холодильной машины, и значение их тем больше, чем выше Т_о и ниже Т'_к,

Машины, работающие по обратному циклу Карно, могут быть использованы для отопления помещений. В этом случае теплота при температуре T _о отводится от окружа­ющей среды, а теплота q_К при температуре T_к подводится к воздуху отапливаемого помещения. Такая машина называется тепловым насосом, а цикл, по которому она работает, – циклом теплового насоса. Естественно, что цикл теплового насоса осуществляется при более высоких температурах, чем цикл холодильной машины. Эффек­тивность этого цикла оценивается коэффициентом отопления µ:

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие фазовые превращения происходят с рабочим веществом в процессе получения искусственного холода?

2. Какие термодинамические превращения происходят с рабочим веществом в процессе получения искусственного холода?

3. Что такое обратный цикл Карно?

4. Как определяется эффективность холодильной машины?

5. Что дает перегрев паров хладагента на всасывании и переохлаждении перед РВ?

 

Литература: [2]