Идеальные циклы холодильных установок и тепловых насосов

Холодильные агенты. Холодильные установки применяют для получения и поддержания низких температур. Рабочим телом — «холодильным агентом» — современных холодильных установок являются, главным образом, пары жидкостей, кипящих при низких температурах.

В настоящее время применяется около 30 холодильных агентов, наиболее распространенными из которых являются: аммиак, углекислый газ, сернистый ангидрид и фреоны. В технике фреоны отличаются номерами (фреон-11, фреон-12 и др.). Термодинамические характеристики наиболее часто используемых холодильных агентов приведены в табл. 2.1.

Аммиак — бесцветный газ с удушливым запахом, при содержании в воздухе больше 0,03% вреден, поэтому нельзя допускать его утечек. Смесь аммиака с воздухом при определенных концентрациях может взрываться. Применяется аммиак для температур кипения не ниже -65 'С.

Сернистый ангидрид — бесцветный газ с тяжелым удушливым запахом, применяется в мелких автоматизированных установках закрытого типа.

Углекислый газ — бесцветный газ без запаха. Значительные концентрации его вызывают удушье.

Самый распространенный из фреонов — фреон-12 — тяжелый газ, не имеющий запаха, безвредный при отсутствии открытого пламени, а при наличии открытого пламени разлагается на весьма вредные для организма человека фтористый и хлористый водород. Применяется преимущественно в установках с низкими температурами испарения (от -70 до -90 °С).

В холодильных установках роль холодного источника выполняют воздух и содержимое холодильной камеры, в теплонасосных — речная вода, земля или атмосферный воздух. Горячим источниТаблица 2.1.

Термодинамические характеристики некоторых холодильных агентов.

ком у первых служит окружающая среда (например воздух комнаты, где стоит холодильник), а у вторых — отапливаемое помещение. За счет затраты энергии теплота отнимается у холодного источника и передается горячему. В зависимости от потребности можно использовать или охлаждающий, или нагревающий эффекты. Установки, позволяющие переключением регулирующего органа переходить с режима охлаждения на режим нагрева (и наоборот) одного и того же помещения, называются кондиционерами воздуха.

Разработаны различные типы холодильных и теплонасосных установок. В паровых и воздушных компрессорных установках затрачивается механическая работа, в эжекционных и абсорбционных — теплота, в электрических и магнитных — электричество. В качестве холодильных и теплонасосных установок могут использоваться некоторые топливные элементы — они работают за счет затраты химической энергии. В данном подразделе рассматривается принцип работы, цикл и эффективность только паровой компрессорной установки.

Парокомпрессионные холодильные установки. Вследствие близости цикла таких установок к циклу Карно они обладают самой высокой эффективностью, а потому и шире распространены.

Рабочим телом, которое в холодильниках называется холодильным агентом, или хладоносителем, а в теплонасосных — теплоносителем, служат вещества, имеющие низкую температуру кипения. Первая установка этого типа работала на парах эфира, позже стали применять сернистый ангидрид. В 30-х гг. XX в. были впервые использованы фреоны — углеводороды, в которых водород полностью или частично замещен галоидами, чаще фтором и хлором, например фреон-12 (CF₂C1₂), фреон-22 (CHF₂C1). До 20-х гг. применялись только поршневые компрессоры, затем в крупных установках их стали заменять винтовыми и лопаточными.

Работает установка так. Насыщенный пар хладоагента сжимается компрессором 3 (рис. 2.21, а) и подается в конденсатор 2, где, теряя теплоту q_{ в окружающую среду, частично конденсируется. Эта парожидкостная смесь направляется в дроссельный вентиль 7, где ее давление и температура падают (роль вентиля в принципе может выполнить любая расширительная машина). После дросселя влажный пар небольшой сухости с низкой температурой поступает в испаритель 5, располагающийся в охлажденном помещении (шкафу) 4, за счет теплоты которого q₂ хладоагент испаряется.

Термодинамический цикл (рис. 2.21, б) включает в себя следующие процессы: 1—2 — адиабатное сжатие хладоагента в компрессоре, 2—3—4 — отвод теплоты д, в окружающую среду и конденсация, 4—5 — дросселирование, 5—1 — испарение хладоагента за счет теплоты, отбираемой в испарителе q₂.

Холодильный коэффициент вычисляется по формуле.

где / — работа, затрачиваемая на привод компрессора.

Рис. 2.21. Парокомпрессионная холодильная установка: а — схема установки; 1 — дроссельный вентиль; 2 — конденсатор; 3 — компрессор; 4 — охлажденное помещение (шкаф); 5 — испаритель; б — цикл парокомпрессионной установки в Т, т-координатах: 1…5, а, b — точки диаграммы; в — изменение коэффициента с, в зависимости от температур /| и /_3.

Отсюда видно, что г_х будет тем больше, чем выше температура в холодильнике и чем ниже температура среды, охлаждающей хладоагент в конденсаторе (рис. 2.21, в). При равенстве этих температур ?_х = 00.

Коэффициент использования теплоты или теплонасосный коэффициент определяется по формуле.