Цикл воздушной холодильной установки

Холодильные установки служат для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совершает обратный круговой процесс, в котором в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается теплота от охлаждаемого тела.

Рисунок 14.6 - Идеальный цикл холодильных установок (обратный цикл Карно)

Идеальным циклом холодильных установок является обратный цикл Карно (рисунок 14.6). В результате осуществления этого цикла затрачивается работа l₀ и тепло q от холодного тела переносится к более нагретому телу.

Отношение отведённой от охлаждаемого тела теплоты q₀ (произведённого холода) к затраченной работе q - q₀ называется холодильным коэффициентом и является характеристикой экономичности холодильной машины:

(5)

Максимальное значение холодильного коэффициента при заданном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратного цикла Карно

(6)

Отношение характеризует степень термодинамического совершенства применяемого цикла.

В качестве холодильных агентов применяют воздух и жидкости с низкими температурами кипения: аммиак, углекислоту, сернистый ангидрид, фреоны (галоидные производные насыщенных углеводородов).

На рисунке 14.7 дана схема воздушной холодильной установки.

Рисунок 14.7 - Схема воздушной холодильной установки

1 – охлаждаемое помещение (холодильная камера), в которой по трубам циркулирует охлаждённый воздух;

2 – компрессор, всасывающий этот воздух и сжимающий его;

3 – охладитель, в котором охлаждается сжатый в компрессоре воздух;

4 – расширительный цилиндр, в котором воздух расширяется, совершая при этом работу и понижая свою температуру.

Из расширительного цилиндра холодный воздух направляют в холодильную камеру, где он, отнимая теплоту от охлаждаемых тел, нагревается и вновь поступает в компрессор.

В дальнейшем этот цикл повторяется.

На рисунке 14.8 дан теоретический цикл воздушной холодильной установки в pv-диаграмме.

Рисунок 14.8 - Теоретический цикл воздушной холодильной установки в pv-диаграмме.

Точка 1 характеризует состояние воздуха, поступающего в компрессор; 1-2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка 2 – состояние воздуха, поступающего в охладитель; точка 3 - состояние воздуха, поступающего в расширительный цилиндр; 3-4 – адиабатный процесс расширения; точка 4 – состояние воздуха, поступающего в холодильную камеру; 4-1 – процесс нагревания воздуха в этой камере.

Площадь 1-2-6-5-1 измеряет работу, затраченную компрессорами на сжатие, а площадь 3-6-5-4-3 – работав расширительном цилиндре.

Следовательно, затрата работы в теоретическом цикле воздушной холодильной установки измеряется площадью 1-2-3-4, а количество теплоты, отнятой от охлажденных тел, равно количеству теплоты, воспринятой воздухом в процессе 4-1.

Рисунок 14.9 - Теоретический цикл воздушной холодильной установки в Ts-диаграмме.

Площадь, лежащая под кривой 4-1 соответствует количеству теплоты q₀, отведённой от охлаждаемых тел; площадь, лежащая под кривой 4-1, соответствует количеству теплоты, переданной охлаждающей воде в охладителе, а площадь 1-2-3-4-1 – работе, затраченной в цикле.

Холодопроизводительность 1 кг воздуха q₀ определяется

, (7)

где Т₁ – температура воздуха, выходящего из холодильной камеры и поступающего в компрессор; Т₂ – температура воздуха, входящего в холодильную камеру;

- средняя массовая теплоёмкость воздуха при постоянном давлении.

Работа, затраченная компрессором, определяется

, (8)

где Т₂ – температура воздуха после его сжатия в компрессоре.

Работа, полученная в расширительном цилиндре, определяется

, (9)

где Т₃ – температура воздуха перед расширительным цилиндром.

Работа, затраченная в цикле, определяется

(10)

Расход холодильного агента определяется

, (11)

где Q₀ и q₀ – соответственно холодопроизводительность установки и холодопроизводительность 1кг воздуха, и .

Холодильный коэффициент

(12)

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора, кВт, определяется

(13)

Основным недостатком воздуха как холодильного агента является его малая теплоёмкость, а следовательно, и малое количество теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела одним килограммом агента. Из-за этого, а также других причин воздушные холодильные установки в настоящее время не имеют широкого распространения.

Лекция № 15

Тема: ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗОВЫХ ЦИКЛОВ.