13.2 Цикл воздушной холодильной установки

В первых холодильных установках в качестве холодильного агента использовался воздух. Принцип действия воздушной холодильной установки, схема которой приведена на рисунке 13.2, а идеализированный цикл на рисунках 13.3 и 13.4, состоит в следующем.

Воздух с давлением p₁ поступает в детандер 1, где адиабатно расширяется по линии 1-2 до давления р₂ и совершает при этом работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, генератору электрического тока).

Расширение воздуха сопровождается понижением его температуры от T₁ до Т₂. Затем он поступает в рефрижератор 2, где отбирает тепло от охлаждаемого объекта при p₂ = const по линии 2-3. Температура его при этом повышается от Т₂ до Т₃, теоретически равной температуре охлаждаемого объекта. Далее воздух направляется в компрессор 3, где сжимается до давления p₁ с повышением температуры от Т₃ до Т₄ по адиабате 3-4. Наконец, воздух поступает в охладитель 4, где его температура понижается при p = const по линии 4-1 за счет отдачи тепла охлаждающей воде, имеющей температуру окружающей среды, теоретически равную Т₁.

Рисунок 13.2 Рисунок 13.3 Рисунок 13.4

Таким образом, в результате осуществления цикла тепло q₂ передается с уровня, соответствующего температуре Т₃, на уровень, соответствующий температуре T₁.

Холодильный коэффициент установки определяется по формуле

(5.2), т. е.

,

причем, считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, получаем

.

Следовательно,

.

Для обратного цикла Карно, совершаемого в тех же температурных пределах, график которого в Ts-диаграмме (рис. 13.4) изображается прямоугольником 1-2^/-3-3^/-1, имеем

.

Поскольку T₃ > T₂, то ε_к > ε.

Этот же вывод можно сделать непосредственно из Ts-диаграммы, которая показывает, что в цикле воздушной холодильной машины отбирается меньше тепла, чем в обратном цикле Карно, а затрачиваемая работа значительно больше.

В качестве примера рассмотрим сравниваемые циклы в интервале температур от t₁ = 20°C до t₃ = -5°С. Положим при этом, что для воздушной холодильной установки p₁= 4 бар, р₂ = 1 бар. Тогда для адиабаты 1-2 получаем из (4.15)

.

В соответствии с этим холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки

,

а холодильный коэффициент обратного цикла Карно

,

т.е. в 5,22 раз больше.

Это сравнение показывает, что эффективность воздушных холодильных установок невелика. И действительно, такие установки отличаются малой холодопроизводительностью и требуют больших расходов воздуха.

Во второй половине XIX в. были распространены воздушные холодильные установки с поршневыми компрессорами, однако впоследствии они практически перестали применяться из-за их малой экономичности. В настоящее время благодаря применению турбокомпрессоров и регенерации тепла экономичность воздушных холодильных установок возросла, и они находят все более широкое применение.