Циклы воздушных холодильных машин

Начало холодильной промышленности связано с появлением и развитием воздушных холодильных машин, так как воздух благодаря доступности в безвредности является наиболее удобным холодильным агентом. Промышленное получение холода было впервые осуществленопри помощи воздушной компрессионной холодильной машины.

Принцип действия воздушной холодильной машины заключается в следующем.

Воздух из охлаждаемого помещения 1 (фиг. 19-2) засасывается компрессором 2 и подвергается адиабаическому сжатию, в результате которого температура его возрастает. Сжатый воздух выталкивается в холодильник 3 и охлаждается водой, после чего поступает в расширительный цилиндр 4, где совершает работу при расширении до начального давления.
При расширении температура воздуха значительно падает, достигая — 60 — — 70° С. Холодный воздух вновь поступает в охлаждаемое им помещение /, где нагревается, отнимая тепло уд от охлаждаемого тела.

Фиг. 19-2	Фиг. 19-3.	Фиг. 19-4

Цикл воздушной холодильной машины представлен на диаграмме фиг. 19-3. Индикаторная линия а — 1 соответствует всасыванию компрессором воздуха из охлаждаемого помещения; процесс /— 2 соответствует адиабатическому сжатию воздуха от
начального давления р0 до конечного давления р, а индикаторная линия 2— b — выталкиванию сжатого компрессором воздуха в холодильник.

Процессы 2—3, 3—4 и 4—1 соответствуют последовательно охлаждению сжатого воздуха в холодильнике, адиабатическому расширению воздуха в цилиндре и нагреванию воздуха при отводе тепла от охлаждаемого помещения.

Площадь а-—1—2 — b изображает работу компрессора,а площадь а —4—3— b — работу расширительного цилиндра, причем индикаторные линии а— 4 и b —3 соответствуют процессам всасывания воздуха в расширительный цилиндр и выталкивания из него.

Работа, затрачиваемая в воздушной холодильной машине, равна разности' работ сжатия в компрессоре и расширения в цилиндре, называемом обычно" детандером (фр. detendre – ослаблять) - поршневая или турбинная машина для охлаждения газа за счёт его расширения с совершением внешней работы.

В результате работы холодильной установки, включающей компрессор, расширительный цилиндр, холодильник и теплообменник охлаждаемого помещения, совершается круговой процесс изменения состояния рабочего вещества — воздуха, в котором за счет затраты работы тепло переносится от тела более холодного—охлаждаемого помещения, к телу более нагретому—охлаждающей воде.

Следовательно, в результате работы воздушной холодильной машины осуществляется обратный цикл / - 2—3—4 - 1, изображенный на диаграмме фиг. 19-4. Этот цикл состоит из двух изобар и двух адиабат. Количество тепла, отведенное от холодного источника, изображается площадью а—1—4— b—а; количество тепла, отданное источнику высшей температуры, изображается площадью а— 2—3— b — а, а количество затраченной работы 1— площадью 1—2—3—4—1, заключенной внутри цикла.

Холодильный коэффициент описанного цикла можно подсчитать, если принять во внимание, что

Предполагая, что оба процесса—сжатия 1— 2 и расширения 3 — 4 происходят адиабатически, для температур воздуха в характерных точках дикла можно написать следующие соотношения

Принимая теплоемкость воздуха постоянной, получим:

ахолодильный коэффициент

Сравним холодильный коэффициент воздушного цикла с циклом Карно, для чего впишем в контур воздушного цикла цикл Карно. Как видно из рис. 19-4, перепад температур в цикле Карно существенно меньше.

Действительно, в процессе 2—3 рабочее тело отдает тепло охлаждающей воде. Для того чтобы этот процесс был возможен, охлаждающая вода на входе в установку должна иметь температуру во всяком случае не выше Т₃. Таким образом, для рассматриваемого цикла предельная температура теплоприемника равна температуре Т₃ .

В процессе 4—1 рабочее тело получает тепло от охлаждаемого помещения. Если температура охлаждаемого помещения постоянна, то она не может быть ниже температуры Т₁ , которая, таким образом, представляет собой предельную температуру теплоотдатчика.

Следовательно цикл с указанными источниками тепла (обратный цикл Карно) должен,, иметь вид /— 2'—3—3'—1 на.фиг. 19-4.

Как видно из фиг. 19-4, холодопроизводительность соответствующего цикла Карно (т. е. цикла, осуществляемого с теми же источниками тепла), измеряемая площадью /— а— b — 3'—1, больше холодопроизводительности цикла воздушной машины на величину площади 1—4—3'—1, тогда, как затраченная работа в цикле Карно, измеряемая заштрихованной площадью /— 3'—3—2'—1, меньше работы воздушного цикла на сумму площадей 1—4—3'—! и 2— 2'— 3—2.

На основании уравнения (19-3) холодильный коэффициент соответствующего цикла Карно равен:

Холодильный коэффициент теоретического цикла воздушной холодильной машины (не учитывая необратимых потерьнатрение и теплообмен) значительно ниже холодильного коэффициента соответствующего цикла Карно.

Например, для воздушной холодильной машины при начальном давлении р₀ == 1 ата, при давлении в конце сжатия р === 5 ата и температуре охлаждаемого помещения Т₀ == 0°С температура в конце сжатия Т==162,4°С, а холодильный коэффициент

Если принять, что температура охаждающей воды Т₃ == 20° С, то холодильный коэффициент соответствующего цикла Карно при этом равен ε_К = 13,65.

Такое большое различие в значениях холодильных коэффициентов указывает на термодинамическое несовершенство цикла воздушной холодильной машины по сравнению с наивыгоднейшим холодильным циклом — обратным циклом Карно.

Дата добавления: 2014-11-28