1. Основы теории хм

Чтобы охладить тело, надо его энергию передать другому телу. Но в этом случае температура охлаждаемого тела сразу же понизится, в срав­нении с тем телом, которому пытается передать энергию. Согласно пер­вому закону термодинамики, энергия может изменить форму, но уничто­жить ее нельзя. Но в процессе охлаждения превратить отнимаемое тепло в другую форму энергии невозможно. Следовательно, передать энергию в результате прямого контакта от холодного тела более теплому невозмож­но. Возникает необходимость использовать какое-то третье тело (хлада­гент), которое воспринимало бы тепло от охлаждаемого тела, при этом температура хладагента должна быть ниже охлаждаемого тела. Эту энер­гию хладагент должен передать нагреваемому телу (как правило, окру­жающей среде) и при этом хладагент должен быть более теплым, чем ок­ружающая среда. Естественно, что для перевода хладагента с низкого энергетического уровня (в момент контакта с охлаждаемым телом) на высокий энергетический уровень (в момент контакта с окружающей средой) необходимо затратить работу l (энергию). В этом и заключается принцип действия холодильной машины, показанный на рис. 2.7.

Совокупность процессов, которые при этом осуществляет хладагент (отбор тепла, нагрев, отдача тепла, охлаждение), называется холодиль­ным циклом. Всякая холодильная машина является тепловым насосом, так как служит для «перекачивания» тепла с низкого температурного по­тенциала на более высокий. В отличие от других насосов, она отдает теп­ла q_k больше, чем получает, так как работа 1, затраченная на ее действие, превращается в тепло, которое отводится при высокой температуре вме­сте с теплом q_o, взятым от охлаждаемой среды:

Холодильный коэффициент:

Это отношение должно быть больше единицы. Теория холодильных машин рассматривает условия, при которых коэффициент может иметь наибольшее значение, что свидетельствует об экономичности их работы.

Цикл паровой компрессионной холодильной машины изображают обычно на диаграммах T-S или P-i (рис. 2.8), которые представляют сово­купность кривых, выражающих термодинамические процессы, что позво­ляет находить значения параметров в любой точке рассматриваемого хо­лодильного процесса. На диаграмме T-S по оси абсцисс откладывают эн­тропию S, а по оси ординат - абсолютную температуру T; на диаграмме P-i по оси абсцисс - теплосодержание (энтальпию), а по оси ординат -давление P или для более компактного изображения lgP. На диаграммах наносят линии постоянных паросодержаний X, а также линии, изобра­жающие термодинамические процессы: изотермы, изобары, адиабаты, изоэнтальпии и изохоры.

Рис. 2.7. Принципиальная схема работы холодильной машины

Рис. 2.8. Диаграммы теплового состояния хладагента в координатах T-S и P-I Рис. 2.9. Тео­ретический процесс холодильной машины

Обе диаграммы имеют пограничные кривые: левая характеризуется со­стоянием насыщенной жидкости (паросодержание Х = 0), а правая со­стоянием сухого насыщенного пара (Х = 1). Между пограничными кри­выми расположена область влажного пара - 2. Левая кривая отделяет об­ласть переохлаждённой жидкости - 1, а правая - область перегретого пара - 3.

Под энтропией S понимают отношение ничтожно малого тепла ∆q, сообщенного телу (или отнятого от него) в процессе изменения его со­стояния, к приращенной температуре ∆t:

=const

Для каждого вещества это отношение является постоянной величи­ной, поэтому ее приняли в качестве критерия оценки теплового состояния вещества. Энтропия в тепловых явлениях играет такую же роль, как заряд в электрических процессах. Значение ее можно рассматривать как терми­ческий заряд, в этом состоит физический смысл.

Теоретический процесс паровой холодильной машины, имитирую­щий обратный цикл Карно, приведен на рис. 2.9 в координатах T-S. Он протекает в области влажного пара между пограничными кривыми, так как только в этой области изобары совпадают с изотермами. Тепловой цикл состоит из двух изотерм 4-1 и 2-3 и двух адиабат 1-2 и 3-4. Тепло, подведённое к холодильному агенту от охлаждаемой среды Т0, выражает­ся площадью и для цикла Карно составляет:

Работа, затрачиваемая на перевод холодильного агента с низкого энергетического уровня на высокий (на сжатие), в этом случае составит:

l = (T_K - То)(S_a - S_b ).

Холодильный коэффициент:

Последнее уравнение показывает, что холодильный коэффициент не зависит от свойств холодильного агента, а определяется только темпера­турами окружающей среды Т₀ и тела, которое воспринимает тепло Т_к . Чем выше температура охлаждаемой среды, тем больше холодильный коэффициент. Следовательно, для достижения высокого значения холо­дильного коэффициента следует работать при высокой температуре Т0 и низкой Тк.