9.12. Цикл воздушной холодильной машины. Тепловой насос

В холодильных установках происходит процесс передачи теплоты от охлаждающего тела к окружающей среде. Этот процесс осуществляется рабочим телом холодильной машины, так называемым холодильным агентом (хладоагентом). Эффективность цикла холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом (), равным отношению количества теплоты (q2), отведенного от охлаждаемого тела, к затраченной работе (lц). В обратных циклах затрата внешней работы представляет собой компенсационный процесс, необходимый для осуществления такого цикла.

Холодильный коэффициент для 1 кг хладоагента, участвующего в цикле, равен:

.                                (9.15)

Если осуществляется обратный цикл Карно в интервале температур Т1 – Т2, в ходе которого отбирается от холодильного источника теплота q2 и передается источнику (окружающей среде) теплота q1 , то имеем:

.                       (9.16)

Формула (9.16) показывает, что  зависит от температуры Т2 и температуры окружающей среды (Т1) . Можно доказать, что холодильный коэффициент цикла Карно не будет зависеть от выбора рабочего тела цикла.

Для определения работы и мощности, необходимой для осуществления обратного цикла, надо знать холодопроизводительность (Q) – количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени:

;

,

где L – работа; Q холодопроизводительность, Дж/с, N – мощность – кВт.

Цикл воздушной холодильной машины

Особенность воздушных холодильных машин состоит в том, что воздух, имея малую теплоемкость, обеспечивает сравнительно небольшую холодильную мощность, а поэтому для нормальной работы установки требуются большие массовые расходы воздуха.

Основными элементами установки для получения холода (рис. 9.31) являются компрессор 3 и детандер 1. Кроме них имеются два теплообменных аппарата, в одном из них – рефрижераторе 4 воздух воспринимает теплоту от охлаждаемой емкости, а во втором – холодильнике 2 отдает теплоту окружающей среде или воде холодильника.

Процессы в холодильнике и рефрижераторе идут при постоянном давлении, если пренебречь гидравлическими сопротивлениями. В компрессоре давление повышается

от p1 до р2, в детандере падает от р2 до р1, причем процессы сжатия и расширения считают адиабатными. Таким образом, идеализированный цикл холодильной машины (рис. 9.32) состоит из двух изобар (2–3 и 4–1) и двух адиабат (1–2 и 3–4). Этот цикл называется циклом Лоренца.

Рис. 9.31. Схема воздушной холодильной машины

Рис. 9.32. Диаграммы работы идеализированного цикла холодильной машины

Расчет цикла проводится следующим образом. Количество теплоты, отбираемое воздухом от охлаждаемой емкости (холодного источника) в изобарном процессе 2–3, равно:

.

Количество теплоты, отдаваемое воздухом в окружающую среду (охлаждающей воде) в изобарном процессе 4–1, равно:

.

Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, найдем:

.

Тогда работа, необходимая для осуществления цикла, равна:

.

Подставляя выражения для q2 и lц в формулу (9.15), получим:

или

.                            (9.17)

Для адиабатного процесса 3–4 можно записать:

                         (9.18)

и аналогично для адиабатного процесса 1–2

.                          (9.19)

Так как для изобарных процессов 4–1 и 2–3 p1 = p4 и р2 = р3, то из уравнений (9.18) и (9.19) имеем:

.

Тогда уравнение (9.17) можно переписать в виде:

или

.

Таким образом, холодильный коэффициент цикла зависит только от отношения давлений р12.



При постоянных температурах окружающей среды и охлаждаемой емкости рассматриваемый цикл является внешне необратимым. Это вызвано тем, что изобарные процессы теплообмена протекают при конечной разности температур, поэтому холодильный коэффициент этого цикла, по сравнению с холодильным коэффициентом цикла Карно меньше.

Из рис. 9.33 видно, что в обратном цикле Карно отбирается теплоты больше, чем в цикле Лоренца:

пл. 1’3ba1′ > пл. 23bа2,

а работа, затрачиваемая и цикле воздушной холодильной установки, больше, чем в обратном цикле Карно:

пл. 12341>пл. 11’33’1.

Рис. 9.33. Сравнение обратного цикла Карно с циклом Лоренца

Цикл теплового насоса

Тепловым насосом называется специальное устройство для отопления помещений. По принципу действия тепловой нacoc может быть отнесен к холодильным машинам, так как он, как и эти машины, переносит теплоту в цикле с нижнего температурного уровня на верхний с затратой для этого внешней работы в соответствии со вторым началом термодинамики. Следовательно, цикл теплового насоса – это обратный цикл, как и циклы холодильных машин.

Однако используются холодильные машины и тепловой насос для разных целей. Цель работы холодильных машин состоит в том, чтобы поддерживать в холодильной камере постоянную и при том более низкую температуру, чем температура окружающей среды (Т0). Для этого холодильные машины должны отводить из этой камеры теплоту, самопроизвольно проникающую в нее (несмотря на изоляцию) из внешней среды, и затем отводить эту теплоту в окружающую же среду, но при более высокой температуре.

Цель работы теплового насоса другая. Он должен поддерживать в помещении тоже постоянную, но более высокую температуру, чем Т0, за счет отбора теплоты из окружающей среды. Эту теплоту тепловой насос переносит на более высокий температурный уровень, соответствующий температуре в помещении, где она воспринимается водой, циркулирующей в отопительной системе. Таким образом, компенсируется самопроизвольный переход теплоты из отапливаемого помещения в окружающую среду.

В тепловом насосе (рис. 9.34)  имеется испаритель 1, в котором происходит превращение конденсата холодильного агента в парообразное состояние. В этом процессе к конденсату подводится теплота из окружающей среды. Такой средой в данном случае является вода, забираемая из водоема и прокачиваемая через испаритель насосом 2. Получившийся в испарителе пар хладоагента отводится в компрессор 6, где он сжимается с повышением температуры, после чего направляется в конденсатор 3. Здесь пар конденсируется, а выделившаяся при этом теплота воспринимается водой, циркулирующей в отопительной системе 5, обогревающей помещение 4. Конденсат же, пройдя через редукционный вентиль 7 для понижения давления, поступает в испаритель.

Рис. 9.34. Схема теплового насоса

Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом:

,

где q1количество теплоты, сообщаемое нагреваемому объекту; lцработа, подводимая к рабочему телу в цикле.

Если в целях отопления используют определенную холодильную машину с холодильным коэффициентом , то. Тогда

.                (9.20)

Следовательно, чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент.

Так как в тепловом насосе , то и  > 1. Значение отопительного коэффициента в реальных тепловых насосах равно 3… 5.

Если бы тепловой насос работал по циклу Карно, то с учетом формул (9.16) и (9.20)

.

При постоянной температуре нижнего источника теплоты (Т2) эффективность теплового насоса будет зависеть от температуры, при которой рабочее тело отдает теплоту в отопительную систему. Этой температурой и нужно руководствоваться при выборе теплоносителя.