Циклы холодильных установок. Исследование цикла воздушной холодильной установки.

Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды осуществляется с помощью холодильных установок, работающих по обратному тепловому циклу.

обратным называют цикл, в котором работа сжатия превышает работу расширения и за счет подведенной работы теплота передается от холодного источника к горячему.

Очевидно, что q1 = q2 + lц,

т.е. горячему источнику в обратном процессе передается теплота, равная сумме

теплоты q2, отбираемой из холодного источника, и теплоты, эквивалентной подводимой в цикле работе lц.

Если между двумя источниками теплоты — горячим и холодным — одновременно одна машина осуществляет прямой цикл, а другая — обратный, то в том случае, если все процессы в обеих машинах происходят обратимо, работа Lц, производимая в прямом цикле при переходе теплоты из горячего источника к холодному, будет равна работе, затрачиваемой в обратном цикле для осуществления процесса переноса теплоты из холодного источника к горячему. Если же процессы в этих машинах сопровождаются необратимыми потерями, то работа, производимая в прямом цикле при отборе из горячего источника теплоты q1, будет меньше работы, которую необходимо

затратить в обратном цикле для того, чтобы передать такое же количество теплоты q1 горячему источнику.

Подобно теплосиловой установке холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего тела (компрессор или насос) и устройство, в котором происходит расширение рабочего тела (рабочие тела холодильных установок называют хладагентами); расширение рабочего тела может происходить с совершением полезной работы (в поршневой машине или турбомашине) и без совершения ее, т.е. принципиально необратимо (посредством дросселирования). Машины, применяемые в холодильных установках для охлаждения рабочего тела (хладагента) в процессе его расширения с совершением работы, называют детандерами. Из рассмотрения Т, s-диаграммы следует, что при расширении от давления p1 до давления p2 наибольшее понижение

температуры будет достигнуто в том случае, когда расширение происходит по изоэнтропе. Поэтому детандеры снабжаются тщательной теплоизоляцией, с тем чтобы процесс расширения был по возможности близок к адиабатному. Детандеры подразделяются на поршневые и турбинные (турбодетандеры). Принципиальная схема поршневого детандера сходна со схемой поршневого двигателя, а схема турбодетандера — со схемой турбины.

Для характеристики эффективности цикла холодильной установки применяется так называемый холодильный коэффициент ε, определяемый следующим образом

Чем выше значение ε, тем более эффективен цикл холодильной установки: чем выше ε, тем меньшую работу lц нужно затратить, чтобы отвести от охлаждаемого тела (холодный источник) одно и то же количество теплоты q2. Подобно термическому КПД, понятие холодильного коэффициента мы будем применять для анализа лишь обратимых холодильных циклов.

Tподв^ср— средняя температура подвода теплоты к хладагенту от холодного источника;

Tотв^ср— средняя температура отвода теплоты от хладагента к горячему источнику,

Δs — изменение энтропии между крайними точками цикла

В этом цикле, осуществляемом между горячим источником с температурой Tгор. ист и холодным источником с температурой Тхол. ист, сжатый хладагент (газ или пар), состояние которого на

Т, s-диаграмме (см. рис 3) изображается точкой 1, обратимо расширяется по адиабате 1-2, производя работу (например, перемещая поршень). Температура хладагента в процессе адиабатного расширения понижается от T1 до Т2. Адиабатное расширение хладагента производится до тех пор, пока его температура не станет равна величине Т2, которая на бесконечно малую величину dT меньше, чем температура Tхол. ист:

T2 = Тхол. ист – dТ.

Затем осуществляется изотермическое расширение хладагента (по изотерме T2 = const) 2-3, в процессе которого к хладагенту подводится от холодного источника теплота

q2 = T2(s3 – s2) (1)

По достижении точки 3 осуществляется адиабатное сжатие хладагента от температуры Т2 до температуры Т1. Температура T1 определяется соотношением

T1 = Tгор. ист + dT.

Затем осуществляется изотермический (T1 = const) процесс отвода теплоты от хладагента к верхнему источнику теплоты:

q1 = T1(s4 – s1). (2)

За счет отвода теплоты удельный объем хладагента уменьшается, и хладагент возвращается в исходное состояние 1. Циклзамыкается.

С учетом того, что s1 = s2 и s3 = s4, из уравнений (1) и (2) получаем:

lц = q1 – q2 = (T1 – T2)(s3 – s2); (3)

далее с учетом соотношений (3)и из получаем для обратного холодильного цикла Карно: