Холодильный цикл. 
Теплотехника

Холодильная машина работает по холодильному циклу и служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде (рассеивается в ней), т. е. происходит диссипация отводимой тепловой энергии.

Для определения энергетической эффективности холодильного цикла вводится холодильный коэффициент е (см. параграф 5.6). Его значение может меняться в пределах от 0 до +°о.

Цикл теплового насоса.

В том случае, когда с помощью холодильной машины теплота отводится от окружающей среды и передается источнику с высоким температурным потенциалом (ИВТ), его температура повышается. Этот цикл называется циклом теплового насоса. Такая холодильная машина служит для целей теплоснабжения или динамического отопления.

Энергетическая эффективность цикла теплового насоса характеризуется коэффициентом трансформации теплоты р, значения которого лежат в диапазоне от 1 до +°°.

Комбинированный (теплофикационный) цикл — это цикл холодильной машины, при котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры.

Так как при помощи холодильной машины, работающей по комбинированному циклу, получают одновременно холод и теплоту, энергетическая эффективность такого цикла характеризуется двумя коэффициентами: холодильным коэффициентом г и коэффициентом трансформации теплоты р.

Холодопроизводительность. Полная холодопроизводителъностъ определяется как.

где т — расход циркулирующего в цикле рабочего тела, кг/с (м³/с); q₍₎ — полная удельная холодопроизводительность, приведенная к 1 кг (или 1 м³) сжимаемого рабочего тела, кДж/кг (кДж/м³).

Удельная полезная холодопроизводительность

где Y.q_nm — сумма удельных потерь реально генерированного холода, приведенная к 1 кг (или 1 м³) сжимаемого рабочего тела, обусловленных притоком теплоты q из окружающей среды, неполным теплообменом в рекуператорах, утечками или натечками и другими причинами.

Потери холода возникают также при использовании в циклах крионасосов, крионагнетателей, вследствие внутренних тепловыделений, например, при адсорбции, конверсии или окислении. При расчете холодильных установок потери холода вычисляются или принимаются по опытным данным. Для установок с существенно различающимися рабочими температурами значения потерь одного и того же вида различны.

Полпая полезная холодопроизводителъностъ

Классификация циклов холодильных и криогенных установок непрерывного производства холода. Сложные циклы холодильных и криогенных установок могут включать несколько ступеней охлаждения с детандерами, дросселями и предварительным охлаждением. Иногда применяются низкотемпературные устройства одноразового действия, в которых эффект охлаждения достигается при одноразовом осуществлении процессов, сопровождающихся понижением температуры. При этом следует учитывать различия тепловых эффектов процессов в закрытых и открытых системах.

Изложенное выше дает основание ввести простую термодинамическую классификацию циклов холодильных и криогенных установок непрерывного производства холода и разделить их на циклы с отводом энергии в форме работы или теплоты, а также в форме работы и теплоты вместе.

Существует классификация циклов по назначению, согласно которой различают рефрижераторные циклы, ожижительные циклы и циклы технологических установок.

В названиях циклов и установок часто указываются следующие характеристики:

• • род рабочего тела (хладоновые, аммиачные, гелиевые, водородные установки и циклы);
• • уровень давления сжатия и получаемого холода (циклы высокого, среднего и низкого давлений, циклы холодильных и криогенных установок и т.н.);
• • тип расширительного устройства или предварительного охлаждения (циклы с детандерами, дросселем, аммиачным или азотным охлаждением п т.п.);
• • способ организации цикла (циклы с каскадным расширением газа в детандерах, циклы с детандером на обратном потоке и т. п.) и т. д.

Термодинамическое совершенство реальных холодильных и криогенных установок. Для работающих низкотемпературных рефрижераторных установок обычно известными являются: полезная холодопроизводительность Q на уровне температуры Т и действительная потребляемая мощность N_e, для низкотемпературных технологических установок — производительность, но продукту и потребляемая мощность.

Эффективность низкотемпературных технологических установок, например установок для разделения воздуха, получения газообразных или жидких продуктов разделения, на практике часто оценивается действительным удельным расходом энергии E_v кВт-ч/кг или кВт-ч/м³. Сравнительная оценка удельной холодопроизводительности ожижительных установок иногда производится по коэффициенту сжижения (отношение доли сжиженного газа к 1 кг сжимаемого газа).

Эффективность установок, вырабатывающих холод при одинаковой температуре, оценивается либо холодильным коэффициентом в = Q/N_e (отношение холодопроизводительности к действительной потребляемой мощности), либо удельным расходом энергии (р = NJQ (отношение действительной потребляемой мощности к холодопроизводительности).

Установки, вырабатывающие холод на разных температурных уровнях, и технологические низкотемпературные установки оцениваются по степени их термодинамического совершенства г|_т:

где N_mln — минимальная потребляемая мощность, кВт; s_max и q>_min — величины 8 и ф для термодинамически абсолютно совершенной установки, в которой тот же эффект достигается с минимальной затратой энергии.

Здесь.

Значением ц_т учитываются все потери мощности как внутренние, присущие внутренним рабочим процессам, так и внешние, обусловленные конкретными условиями использования вырабатываемого холода, т. е. условиями сопряжения установки с охлаждаемым или термостатируемым телом, а также с окружающей средой.

Криостатирование — поддержание охлажденных тел при постоянной низкой температуре. Оно обеспечивает передачу теплоты q, выделяющейся внутри или притекающей снаружи из-за несовершенства изоляции, в окружающую среду.

Охлаждение и ожижение газов (или вымораживание) — понижение температуры газов при р = const или V = const вплоть до температуры конденсации и их конденсация, достигаемые с помощью холодильных или криогенных установок.

Если холодильная или криогенная установка работает благодаря подводу теплоты от источника, температура которого выше температуры окружающей среды Т₀, то для оценки степени термодинамического совершенства таких установок удобно использовать эксергетический анализ (см. параграфы 6.4 и 6.5).

При эксергетическом анализе обратных циклов необходимо иметь в виду, что весь цикл или часть его процессов располагаются ниже температуры окружающей среды. В этом случае окружающая среда приобретает некоторую работоспособность по отношению к рабочему веществу, температура которого ниже температуры окружающей среды, однако следует учитывать, что эта работоспособность получена за счет прямого цикла.