В основі дії холодильних машин лежить другий закон (або другий початок) термодинаміки, який стосовно до холодильних машин говорить: для передачі теплоти від менш нагрітого тіла (холодного) до більш нагрітого (гарячого) необхідно затратити енергію. Іншими словами, щоб охолодити якесь тіло, необхідно відвести від нього теплоту, використовуючи для цього будь-яке технічний пристрій.
В системах охолодження використовується явище збільшення теплосодержания речовини під час плавлення і кипіння при постійній температурі. Найпростіший спосіб відведення тепла від певної області здійснюється за допомогою крижаного блоку. При плавленні лід поглинає тепло з навколишнього атмосфери і продуктів, а продукт плавлення льоду відводиться за межі льодовика-в навколишнє середовище.
Оскільки теплота пароутворення у багато разів більше теплоти плавлення, під час процесу кипіння поглинається більшу кількість теплоти при постійній температурі. Тому рекомендується проводити перенесення теплоти при температурі кипіння речовини. У цьому полягає перевага компресійних систем охолодження. Надалі в даному курсі будуть розглянуті особливості монтажу парокомпрессионних систем охолодження.
Розглянемо цикл роботи холодильної установки на прикладі побутового холодильника.
Холодильник оснащений теплообмінником (випарником), куди надходить холодоагент в парожидкостной фазі (суміш пара з рідиною). У випарнику за рахунок кипіння робочої речовини теплота відводиться від охолоджуваного середовища - повітря в системі безпосереднього охолодження (як в розглянутому прикладі), води або розсолу в системі з проміжним хладоносителем. При температурі + 5 ° C всередині холодильника температура кипіння холодоагенту у випарнику складе близько -15 ° C, яка в разі використання холодоагенту R134a відповідає абсолютному тиску 1,7 бар. Тепло з внутрішньої частини холодильника відводиться більш холодним випарником, де кипить холодоагент. Температура всередині холодильника знижується.
Компресор відкачує пари холодоагенту з випарника, стискає їх і направляє в інший теплообмінник - конденсатор, розташований на зовнішній частині холодильної камери.
В конденсаторі теплота відводиться від конденсується робочої речовини за допомогою охолоджуючої середовища - повітря або води-яка при цьому нагрівається. Холодоагент змінює агрегатний стан на рідке.
Зазвичай температура навколишнього конденсатор повітря (кімнатна) становить від 20 до 25 ° C. Для забезпечення правильного відведення теплоти від конденсатора в навколишнє середовище температура конденсації повинна перевищувати температуру навколишнього середовища в даному випадку на 20-30 К. Для холодоагенту R134a і передбачуваної температури конденсації 50 ° C абсолютний тиск в конденсаторі становить 13,2 бар.
Таким чином, завдання компресора полягає не тільки у видаленні парів холодоагенту з випарника, а й в їх стисненні.
Рідке робоча речовина з конденсатора проходить через регулюючий (дросельний) вентиль, де відбувається процес дроселювання (розширення робочого тіла без здійснення зовнішньої роботи). Цей вентиль (в даному випадку капілярна трубка) розташований між конденсатором і випарником, в якому холодоагент розширюється і його тиск знижується до тиску кипіння. Тут замикається цикл охолодження.
Нижче наведена схема холодильного циклу в умовних позначеннях
Процеси, зазначені на схемі:
4-1-кипіння робочої речовини (холодоагенту) в випарнику, при цьому теплота Q0 відводиться від охолоджуваного середовища
1-2-стиснення парів робочої речовини в компресорі;
2-3-конденсація парів робочої речовини в конденсаторі, при цьому теплота Q передається навколишнього або нагрівається середовищі;
3-4-дросселирование робочої речовини в регулюючому вентилі.
Таким чином, парокомпресійна холодильна машина повинна мати чотири обов'язкові елементи: компресор, конденсатор, випарник і регулюючий вентиль.
Температура кипіння робочої речовини в випарнику залежить від тиску кипіння р0, а воно, у свою чергу, - від продуктивності компресора. Температуру кипіння підтримують такий, щоб забезпечити необхідну (задану) температуру охолоджувальної середовища. Для зниження температури кипіння необхідно знизити тиск кипіння, що можна зробити, збільшивши продуктивність компресора.
Температура конденсації робочої речовини і відповідне їй тиск конденсації залежать головним чином від температури середовища, використовуваної для охолодження конденсатора. Чим вона нижче, тим нижче будуть температура і тиск конденсації. Величини тисків кипіння і конденсації в значній мірі впливають на продуктивність компресора. Вони ж в основному визначають і кількість енергії, яка необхідна для його роботи.
Подання циклу холодильної машини в термодинамічних діаграмах
Теоретичні цикли холодильних машин зображують на термодинамічних діаграмах, які дозволяють краще зрозуміти принцип їх дії. Термодинамічні діаграми, крім того, служать теоретичною базою для розрахунку холодильних машин в цілому і їх окремих елементів.
Найбільш поширені діаграми ентальпія - тиск (i, lgp -діаграмма) і ентропія - температура (s, T-діаграма). Першу застосовують для теплових розрахунків, другу - для аналізу термодинамічної ефективності циклів. При цьому використовують такі параметри:
- температуру в ° С або абсолютну температуру Т в К;
- тиск в Па або похідних одиницях (1кПа = 103Па, 1 МПа = 106 Па = 10,2 кгс / см2 = 10 бар);
- питомий об'єм ν в м3 / кг;
- щільність в кг / м3, (величина, зворотна питомому об'єму).
Крім простих Реальні показники можуть відрізнятися, використовують також складні розрахункові параметри: - ентальпію I в кДж;
- ентропію S в кДж / К.
На діаграмах і в розрахунках застосовують зазвичай питому ентальпію i в кДж / кг, т. Е. Віднесену до одиниці маси холодоагенту. Логарифмічна вісь тиску приймається з метою зменшення масштабу діаграми.
На i, lgр і s, T-діаграмах з точки К, що відповідає критичного стану холодоагенту, розходяться дві так звані прикордонні криві, що розділяють поле на три зони: переохолодженої рідини (ПЖ), парожидкостной суміші (Ж + П) і перегрітої пари (ПП ).
Якщо на i, lgp-діаграмі провести лінію постійного тиску (p = const) - ізобари, а на s, Т-діаграмі-лінію постійної температури (T = const) - ізотерми, то вони перетнуть прикордонні криві в точках А і В. В точці а холодоагент знаходиться в стані насиченої рідини, а в точці в - насиченого пара.
Фазовий перехід від рідини до пару на діаграмах йде зліва направо. При підведенні теплоти (ентальпія і ентропія зростають) переохолоджена рідина, досягнувши стану насичення в точці А, починає кипіти. У міру подальшого підведення теплоти вміст рідини в одиниці маси холодоагенту зменшується, а вміст пари - збільшується, досягаючи в точці В 100%. Утворюється насичений пар. Паросодер-жание х холодоагенту на лівій прикордонної кривої дорівнює 0, а на правій-1. Стан при х = 1 називають також сухим насиченим паром, щоб підкреслити, що пара не містить частинок рідини на відміну від вологої пари, що представляє собою суміш пари і рідини (П + Ж).
Фазовий перехід від пара до рідини на діаграмах йде справа наліво. При відведенні теплоти відбувається процес конденсації холодоагенту. Він починається в точці В і закінчується в точці A.
На i, lgр-діаграмі різниця значень ентальпій i в точках А і В буде дорівнює величині r в кДж / кг, яку, в залежності від напрямку процесу (від А до В або від В до А), називають питомою (прихованої) теплотою пароутворення або питомою теплотою конденсації.
На s, Т-діаграмі величиною r буде відповідати площа (заштрихована) під процесом А - В.
Параметри, що відповідають стану холодоагенту на лівій прикордонної кривої (х = 0), позначають з одним штрихом, а на правій (х = 1) - з двома.
У процесах кипіння і конденсації тиск і температура насичення залишаються незмінними, так як підводиться або відводиться теплота витрачається на зміну агрегатного стану холодоагенту. При цьому температура насичення залежить від тиску. При його збільшенні вона підвищується, а при зменшенні - знижується.
Якщо після підведення певної кількості теплоти і досягнення холодоагентом стану насиченої пари в точці В продовжувати підводити теплоту при постійному тиску (p = const), то цей процес В - З супроводжуватиметься підвищенням температури: ТС> ТВ. Насичена пара перейде в точці С в стан, який називається перегрітою парою.
Аналогічно, якщо після закінчення процесу конденсації В - А продовжувати відводити теплоту, то подальший процес А - D буде супроводжуватися зниженням температури. Насичена рідина перейде в точці D в стан, зване переохолодженої рідиною.
На i, lgp-діаграмі ізотерми (T = const) в зоні ПЖ йдуть майже вертикально вгору, паралельно ізоентальпам-лініях постійної питомої ентальпії (i = const), а в зоні ПП-різко вниз.
На s, T-діаграмі ізотерми горизонтальні. Ізобари (р = const) в зоні ПЖ йдуть різко вниз і майже збігаються з прикордонної кривої (x = 0), в зоні ПП - піднімаються круто вгору. Ізоентальпи (i = const) спускаються круто вниз.
Лінії постійної питомої ентропії (s = const) Ha s, T-діаграмі вертикальні, а на i, lgр-діаграмі розташовуються приблизно під кутом 45 ° до горизонталі.
З невеликим підйомом від горизонталі йдуть на обох діаграмах лінії постійного питомої обсягу (ν = const). Великим тискам р відповідає менший питомий обсяг ν.
Оскільки при роботі парокомпрессионной холодильної машини в сталому (стаціонарному) режимі тиску кипіння р0 і конденсації рк холодоагенту постійні, кількість підводиться або відводиться теплоти зображується на i, lgр-діаграмі у вигляді відрізка прямої лінії і дорівнює різниці ентальпій на початку і кінці процесу. У цьому полягає гідність i, lgp-діаграми, яке зумовило її широке використання для розрахунку парокомпрессионних холодильних машин.
Контрольні питання:
- Які основні елементи холодильного контуру?
- У чому полягає принцип роботи холодильної машини
- Як видається процес роботи холодильної машини в діаграмах?
література:
- Вивчають основи холодильної техніки. Під загальною редакцією А. Д. Акімової. М., 1996. - 144 с.
