Поняття про холодильний цикл. Зворотний цикл Карно

Цикл – це замкнена сукупність термодинамічних процесів, в результаті яких робоче тіло (холодильний агент) буде змінювати свої параметри стану, можливо агрегатний стан, і повернеться згодом до початкових значень параметрів, тобто у початковий стан.

За початок циклу, як правило, приймають точку, де починається підвід теплоти до робочого тіла.

Цикли є прямі і зворотні. В прямих циклах теплота перетворюється в роботу (цикли теплових двигунів). Для переносу теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого використовують зворотні цикли.

Цикли зображують в системі координат, відкладаючи на осях параметри стану робочого тіла. Прямі цикли на діаграмах зображуються за годинниковою стрілкою, лінія розширення розміщується вище лінії стискання. Зворотні цикли направлені проти годинникової стрілки, а лінія розширення знаходиться нижче лінії стискання. Робота стискання в зворотних холодильних циклах завжди більша за роботу розширення. Прагнуть створити такі цикли, в яких отримання холоду відбувається з мінімальними витратами зовнішньої енергії.

Розглянемо найпростіший холодильний цикл в координатах p – υ (тиск–об'єм).

Рис. 2.3 Діаграма найпростішого холодильного циклу

 

Робоче тіло переносить теплоту q від джерела з низькою температурою до джерела більшої температури. На здійснення такого процесу витрачається робота. В процесі 1-d-2 робоче тіло розширюється, а в процесі 2-с-1 стискається. Процес розширення протікає з підведенням теплоти q₂ при температурі нижчій, ніж у навколишньому середовищі, і робоче тіло нагрівається. Стискається робоче тіло при вищій температурі і під час стискання теплота відводиться у навколишнє середовище – повітря або воду. На здійснення циклу витрачається зовнішня механічна робота, яка в p – υ діаграмі відповідає площі, обмеженій лініями процесів, що створюють цикл. Корисна робота циклу дорівнює різниці робіт розширення та стискання:

l _ц = l _р - / l _ст /

Як видно з діаграми, робота стискання буде більшою за роботу розширення, а робота циклу – від'ємна.

Насправді цикли холодильних машин складніші, ніж розглянутий.

Найбільш досконалим холодильним циклом вважається зворотний цикл Карно. Він складається із двох ізотермічних та двох адіабатичних процесів           (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Діаграма зворотного циклу Карно

 

З точки 1 робоче тіло адіабатно розширюється до стану 2 (процес 1-2) і охолоджується до температури об'єкта охолодження. Подальше розширення (процес 2-3) проходить ізотермічно з підведенням теплоти q₀ до робочого тіла. В процесі   3-4 тіло адіабатно стискається з підвищенням температури від Т₀ до Т. Подальше стискання відбувається по ізотермі 4-1 з відведенням теплоти q у навколишнє середовище. Робоче тіло провертається у початковий стан.

Цикл Карно як ідеальний цикл передбачає, що температура охолоджувального середовища Т₀ не знижується, а температура навколишнього середовища Т не підвищується. Крім того Т₀ є температурою низького температурного рівня і об'єкта охолодження, а Т – високим температурним рівнем і температурою навколишнього середовища. На практиці температура об'єкта охолодження завжди повинна бути вищою за низький температурний рівень, а температура навколишнього середовища має бути меншою за високий температурний рівень.

Оборотний цикл тим досконаліший, чим більше теплоти q₀ відводиться від об'єкта охолодження і чим менше при цьому затрачається зовнішньої роботи.

Робота компресійної холодильної машини характеризується такими параметрами: холодопродуктивність, питома масова холодопродуктивність та холодильний коефіцієнт.

Холодопродуктивність (Q₀) – це кількість теплоти, яку холодильна машина відводить від об'єкта охолодження за одиницю часу, Дж/с (Вт).

Питома масова холодопродуктивність (q₀) – це кількість теплоти, яка відводиться від об'єкта охолодження одним кілограмом робочого тіла протягом циклу, Дж/кг.

Холодильний коефіцієнт ε –  відношення теплоти q₀, відведеної від тіла, до затраченої роботи. Цей коефіцієнт змінюється від 0 до ∞ і використовується для оцінки ефективності зворотних циклів.

ε =

 

З рівняння видно, що холодильний коефіцієнт зворотного циклу Карно визначається температурами Т і Т₀. Холодильний коефіцієнт збільшується зі збільшенням Т₀ і зниженням Т, тому недоцільно здійснювати охолодження при більш низьких температурах, ніж це потрібно за умовами роботи, і необхідно прагнути, щоб температура, за якої від робочого тіла відводиться теплота, була якомога меншою.