Принцип работы холодильной машины

Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом. Циркулирующее в холодильной машине рабочее тело, совершая круговой процесс (цикл), отнимает теплоту от охлаждаемого тела и возвращается в первоначальное состояние. Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние необходимо, чтобы теплота, отнятая у охлаждаемого тела, была отдана другому телу (окружающей среде).

Таким образом, задачей холодильной машины является перенос тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой (например, от пищевых продуктов с температурой плюс 10 °С, находящихся внутри холодильника, к окружающему воздуху комнаты с температурой плюс 25 °С).

Согласно второму закону термодинамики для осуществления кругового процесса, который обеспечит отвод тепла от холодного тела и передачу его более нагретому телу, требуется затрата внешней работы. Такой круговой процесс будем называть холодильным циклом. В любой из термодинамических диаграмм холодильный цикл направлен против часовой стрелки, поэтому холодильные циклы называют обратными. Рабочее тело, с помощью которого осуществляется обратный цикл, называют холодильным агентом.

На рис. 2.1(a) показан принцип действия холодильной машины.

Рис. 2.1. Принцип действия холодильной машины (а) и теплового насоса (б)

Совершая обратный круговой процесс, холодильный агент отбирает у охлаждаемого тела с низкой температурой Т ₀ тепло Q ₀, трансформирует его к более высокой температуре Т _0с и передает окружающей среде. При этом на совершение такого процесса затрачивается внешняя работа L, которая, в конечном счете, также трансформируется в тепло и передается окружающей среде. Согласно первому закону термодинамики можно записать: Q ₁ = Q ₀ + L, т.е. в холодильной машине тепловой поток Q ₁ всегда больше Q ₀.

Машины, в которых осуществляется обратный круговой процесс, могут быть использованы не только для искусственного охлаждения, но и как повышающие трансформаторы тепловой энергии. Такие машины называют тепловыми насосами (ТН), а цикл их приведен на рис. 2.1, б. Здесь рабочее тело также совершает обратный круговой процесс. При этом создаются такие условия, чтобы оно отбирало тепло Q ₀ у окружающей среды с температурой Т _0с и с помощью внешней работы L трансформировало его к более высокой температуре Т ₁ в количестве Q ₁.

Принцип действия ТН становится наглядным, если проиллюстрировать его работу в качестве отопительного устройства. Фактически он является повышающим трансформатором тепловой энергии. Если, например, температура наружного воздуха Т _0с = плюс 5 °С, а внутри помещения поддерживается Т ₁ = плюс 25 °С, то с помощью ТН удается тепло окружающей среды в количестве Q ₀ трансформировать к температуре Т ₁ в количестве Q ₁, т.е. отапливать помещение. В промышленности тепловые насосы используют для утилизации низкопотенциальных источников энергии с целью получения тепла при более высокой температуре для последующего использования его в технологическом процессе. Например, тепло потока конденсата при температуре плюс 60...80 °С после стерилизатора можно трансформировать к температуре плюс 120...130 °С и использовать повторно в парогенераторе для получения водяного пара. При этом на 1 кВт энергии, затраченной на привод ТН, можно, в зависимости от рабочих параметров его работы, получить 3…5 кВт тепловой энергии.

q₀

		s'

Т₀

Рис. 2.2. Обратные циклы Карно: а) холодильной машины; б) теплового насоса

Наиболее простым и энергетически эффективным циклом холодильной машины является обратный цикл Карно (рис. 2.2,а). В изотермическом процессе 4, 1 каждый килограмм циркулирующего рабочего тела получает от охлаждаемого тела теплоту q ₀, называемую удельной массовой холодопроизводительностью, которая в диаграмме выражается площадью а, 4, 1, b. Затем холодильный агент сжимается в адиабатическом процессе 1, 2, в результате чего его температура повышается от Т ₀ до Т _0с. Далее в изотермическом процессе 2, 3 он отдает окружающей среде теплоту q ₁, пропорциональную площади а, 3, 2, b и возвращается в исходное состояние 4 после адиабатического расширения 3, 4.

Из приведенной выше диаграммы видно, что:

, (2.1)

, (2.2)

т.е. q ₁ > q ₀.

Согласно первому закону термодинамики (для 1 кг холодильного агента):

, (2.3)

т.е. работа цикла l будет эквивалентной площади цикла 1, 2, 3, 4.

Эффективность осуществления холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом, который представляет собой отношение полезного эффекта (удельной массовой холодопроизводительности) к затраченной энергии (удельной работе сжатия):

. (2.4)

С учетом соотношений (2.1)...(2.3) уравнение (2.4) будет иметь вид:

.

Таким образом, мы пришли к известному выводу о том, что термодинамическая эффективность цикла Карно зависит только от температур, между которыми осуществляется цикл. Величина e всегда положительна и может изменяться в интервале 0 < e < ¥.

Эффективность цикла ТН выражается коэффициентом преобразования теплоты (отопительным коэффициентом), равным отношению полученной теплоты (площадь с, 7, 6, d) к затраченной работе (площадь 8, 7, 6, 5):

. (2.5)

Коэффициент преобразования теплоты всегда больше единицы. Это свидетельствует о том, что полученное тепло всегда больше затраченной энергии, причем иногда значительно больше. Однако не следует забывать, что практически всегда работа в ТН сопровождается затратами электроэнергии, которая значительно дороже тепловой. Кроме того, стоимость холодильного оборудования выше теплового, поэтому до последнего времени в нашей стране бытовало мнение, что выработка тепла с помощью ТН экономически не оправдана.

В то же время все промышленно развитые страны для выработки низкопотенциального тепла уже давно используют ТН. По данным Международного агентства тепловых насосов (Берлин) на начало третьего тысячелетия в мире эксплуатируется более ста миллионов ТН, из которых более половины находится в Японии. В Европе лидерами по использованию ТН являются Швеция, Норвегия и Австрия.

В независимой Украине существует острый дефицит энергоресурсов, поэтому в настоящее время теплонасосные установки находят более широкое применение. Их внедрением занимаются компании, которые работают на рынках жилищно-коммунальных хозяйств и теплохладоснабжения промышленных предприятий. Пионерами в массовом производстве ТН отечественного производства являются ООО «Рефма», ООО «Сан-Айс», ООО «Инсолар» и др.

Дата добавления: 2014-01-04