Некоторые термины и понятия, необходимые для изучения рабочих процессов холодильных машин

Теоретические основы работы холодильных машин приведены в параграфах 1.6 и 5.6. Здесь рассмотрим некоторые понятия и определения, которые относятся к холодильной технике.

В первую очередь, необходимо остановиться на термине «холод». Такого термина в термодинамике нет. Это условное понятие, которое следует трактовать как создание потенциальной возможности восприятия соответствующего количества теплоты на температурном уровне ниже температуры окружающей среды.

Таким образом, холод — это теплота, температурный уровень которой ниже температуры окружающей среды.

В обратных циклах всегда существуют два источника теплоты: источник низкой температуры (И1ГГ) и источник высокой температуры (ИВТ).

Источник низкой температуры — это тело или среда, от которых теплота отводится. К таковым можно отнести: охлаждаемый продукт или вещество в технологическом процессе; промежуточный теплоноситель (хладоносигель, хладагент), например раствор соли в воде (рассол); воздух в охлаждаемой камере и т. д. Температура ИНТ при отводе от него теплоты может быть постоянной или переменной.

Источник высокой температуры — это тело или среда, к которым теплота подводится. К таковым относятся нагреваемое тело или промежуточный теплоноситель, окружающая среда и т. д. Температура ИВТ также может быть постоянной (например, окружающая среда) или переменной (например, нагреваемая вода).

В термодинамической теории большое значение имеет понятие «окружающая среда». По отношению к холодильной и криогенной технике окружающая среда характеризуется прежде всего тем, что ее параметры не зависят от работы холодильной машины или какой-либо системы. Для этого окружающая среда должна обладать большой теплоемкостью^[1]. В этом случае любое воздействие на нее вызывало бы настолько малые изменения температуры, что ими можно пренебречь. В реальных условиях примерами такой среды могут служить атмосферный воздух, вода крупных водоемов, горные породы, грунт и т. д.

Кроме того, параметры окружающей среды должны находиться в состоянии полного термодинамического равновесия. Например, параметры атмосферного воздуха постоянно меняются, но для инженерных расчетов этим можно пренебречь. Дополнительной характеристикой окружающей среды является возможность реализации теплообмена между рабочим веществом обратного цикла и окружающей средой без существенных затрат.

Перенос теплоты от ИНТ к И ВТ осуществляется с помощью рабочего вещества — хладагента (холодильного агента). Термодинамические и физические свойства хладагента оказывают значительное влияние на показатели обратных циклов. Холодильный агент совершает обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три разновидности обратных циклов: холодильный цикл, цикл теплового насоса, а также комбинированный (теплофикационный) цикл.

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.

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.

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

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.

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.

• [1] Нс следует смешивать понятия «теплоемкость» (термодинамической системы, кДж/К)и «удельная теплоемкость» (вещества, кДжДкгК)).