Цикл работы холодильной машины

В холодильных установках перенос тепла от среды с более низкой температурой к среде с более высокой температурой осуществляется с помощью рабочего тела, называемого хладагентом.

Получение холода происходит по круговому процессу, или циклу, в котором процесс отнятия тепла от охлаждаемой среды сопровождается компенсирующим процессом – подводом  энергии (например, при сжатии паров хладагента в компрессоре).

Процесс переноса тепла от менее нагретого тела к более нагретому при затрате механической работы называется обратным циклом Карно. Цикл состоит из следующих процессов:

      1-2 – адиабатическое сжатие парообразного хладагента (конечная температура сжатия Т);

2-3 – изотермическая конденсация паров холодильного агента при температуре Т с отдачей окружающей среде (например, воде) теплоты конденсации Q;

     3-4 – адиабатическое расширение жидкого хладагента (конечная температура расширения Т_о);

     4-1 – изотермическое испарение жидкого хладагента при темпер атуре Т_о с отнятием от охлаждаемой среды теплоты испарения Q_о.                                                                                                                                                          

Такой цикл осуществим лишь при условии постоянства энтропии системы. Поэтому если при испарении хладагента энтропия охлаждаемой среды уменьшается на Q_o/T_о, то на такое же значение должна возрасти энтропия более нагретой среды (воды), которой передается тепло Q_o, отнятое от охлаждаемой среды, и тепло, эквивалентное работе L_к, затраченной на сжатие хладагента. В результате возрастание энтропии более нагретой среды составляет (Q_о + L_к)/T.

     Согласно энергетическому балансу

                                                  Q_o/T_o= (Q_о + L_к)/T

     Отсюда работа, которую необходимо затратить в холодильной установке, работающей по обратному циклу Карно

                                            L_к = Q_o (Т – Т_о)/ Т_о

Тепло Q_o, отнимаемое холодильным агентом от охлаждаемой среды при температуре  Т_о < Т, определяет холодопроизводительность цикла, или холодильной установки.

Таким образом, на примере обратного цикла Карно энергетический баланс любой холодильной машины:

Q_о + L = Q

где L – работа реального цикла.

Термодинамическая эффективность холодильных циклов выражается отношением холодопроизводительности Q_o к затраченной работе, L причем это отношение называется холодильным коэффициентом и обозначается ε. Коэффициент ε  выражается зависимостью

ε = Q_o / L = Q/(Q – Q_o ) = Т_о (S₁ – S₂) / [ Т (S₁ – S₂) – Т_о (S₁ – S₂)] = Т_о / Т – Т_о

Холодильный коэффициент показывает, какое количество тепла воспринимается хладагентом от охлаждаемой среды на одну единицу затраченной работы.

Холодильный  коэффициент, характеризующий степень использования механической работы на получение искусственного холода, как видно из выражения, не зависит от свойств холодильного агента или схемы действия холодильной установки, а является только функцией температур Т_о и Т. При этом степень использования механической работы будет тем выше, чем меньше разность между температурами холодильного агента при отдаче Т и восприятии Т_о тепла.