Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды осуществляется с помощью холодильных установок, работающих по обратному тепловому циклу, т.е. циклу в котором работа сжатия превышает работу расширения и за счет подведенной работы теплота передается от холодного источника к горячему.
При анализе холодильных циклов применять те же обозначения, что и для тепловых двигателей; теплоту, отбираемую из холодного источника, будем обозначать $q_2$, теплоту, отдаваемую горячему источнику, $q_1$, а работу, подводимую в цикле, $l_ц$. Очевидно, что $q_1=q_2+l_ц$, т.е. горячему источнику в обратном процессе передается теплота, равная сумме теплоты $q_2$, отбираемой из холодного источника, и теплоты, эквивалентной подводимой в цикле работе $l_ц$.
Подобно теплосиловой установке холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего тела (компрессор или насос) и устройство, в котором происходит расширение рабочего тела (рабочие тела холодильных установок называют хладагентами); расширение рабочего тела может происходить с совершением полезной работы (в поршневой машине или турбомашине) и без совершения ее, т.е. принципиально необратимо (посредством дросселирования).
Машины, применяемые в холодильных установках для охлаждения рабочего тела (хладагента) в процессе его расширения с совершением работы, называют детандерами. При расширении от давления $p_1$ до давления $p_2$ наибольшее понижение температуры будет достигнуто в том случае, когда расширение происходит по изоэнтропе. Поэтому детандеры снабжаются тщательной теплоизоляцией, с тем чтобы процесс расширения был по возможности близок к адиабатному. Детандеры подразделяются на поршневые и турбинные (турбодетандеры). Принципиальная схема поршневого детандера сходна со схемой поршневого двигателя, а схема турбодетандера — со схемой турбины.
Для характеристики эффективности цикла холодильной установки применяется так называемый холодильный коэффициент ε, определяемый следующим образом:
$$ε=\frac{q_2}{l_ц}.$$или
$$ε=\frac{q_2}{q_1-q_2}.$$Одной из основных характеристик теплосиловых установок является мощность установки. Холодильные установки характеризуются холодопроизводительностью – количеством теплоты, отбираемой от охлаждаемого объекта в единицу времени.
Холодильные установки по виду хладагентов делятся на две основные группы: газовые (в частности, воздушные) холодильные установки, в которых хладагент – воздух – находится в состоянии, далеком от линии насыщения и паровые холодильные установки, в которых в качестве хладагентов используются пары различных веществ. Паровые холодильные установки подразделяются на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные.
Отдельную группу составляют термоэлектрические холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффекта Пельтье, а также установки, основанные на термомагнитном эффекте Эттингсхаузена. В холодильных установках этого типа хладагент отсутствует.
Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, примененных на практике.
Хладагент (воздух) расширяется в детандере 1 от давления $p_1$ до давления $р_2$, совершая работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю (например, производя электроэнергию с помощью соединенного с детандером электрогенератора).
Воздух, охлажденный в результате процесса адиабатного расширения в детандере от температуры $T_1$ до температуры $T_2$, поступает в охлаждаемый объем 2, из которого он отбирает теплоту. Процесс передачи теплоты от охлаждаемого объема к воздуху происходит при постоянном давлении воздуха ($р_2=const$). Отвод теплоты из охлаждаемого объема возможен только в том случае, если температура воздуха в течение всего изобарного процесса отбора теплоты будет меньше, чем температура охлаждаемого объема. По выходе из охлаждаемого объема воздух направляется в компрессор 3, где его давление повышается от $р_2$ до $p_1$ (при этом температура воздуха возрастает от $T_3$ до $T_4$). Сжатый компрессором воздух поступает в охладитель 4. Охладитель представляет собой теплообменник поверхностного типа, в котором температура воздуха снижается вследствие отдачи теплоты охлаждающей воде, циркулирующей через охладитель. Процесс в охладителе происходит при постоянном давлении воздуха ($p_1=const$).
Цикл воздушной холодильной установки в р-v диаграмме изображен на рисунке ниже. Здесь 1-2 – адиабатный процесс расширения воздуха в детандере; 2-3 – изобарный процесс отвода теплоты из охлаждаемого объема; 3-4 – процесс сжатия в компрессоре; 4-1 – изобарный процесс охлаждения воздуха в охладителе. В этой диаграмме 3-4-1 – линия сжатия воздуха, а 1-2-3 – линия расширения. Работа, затрачиваемая на привод компрессора, изображается площадью m-4-3-n-m, а работа, производимая воздухом в детандере –площадью m-1-2-n-m. Следовательно, работа $l_ц$, затрачиваемая в цикле воздушной холодильной установки, изображается площадью 1-2-3-4-1.
Процесс в компрессоре может осуществляться либо по адиабате, либо по изотерме, либо по политропе с показателем $1 < n < k$. При одном и том же отношении давлений наибольшее увеличение температуры газа в компрессоре имеет место при адиабатном сжатии. Теплоотвод от воздуха интенсифицируется при увеличении температурного перепада между воздухом и водой. Однако при заданной температуре охлаждающей воды увеличение температуры воздуха влечет за собой увеличение затраты работы.
Цикл этой холодильной установки в $T-s$ диаграмме представлен на рисунке ниже. В этой диаграмме 1-2 – процесс адиабатного расширения воздуха в детандере; 2-3 – изобарный процесс в охлаждаемом объеме; 3-4 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре и 4-1 – изобарный процесс в охладителе. Как видно из $Т-s$ диаграммы, цикл воздушной холодильной машины можно рассматривать как обращенный цикл газотурбинной установки со сгоранием при $p=const$ и адиабатным сжатием воздуха в компрессоре.
В $Т-s$ диаграмме теплота $q_2$, отводимая из охлаждаемого объема, изображается площадью а-2-3-b-а; работа, затрачиваемая в цикле $l_ц$ – площадью 1-2-3-4-1 и теплота, отдаваемая охладителю $q_1$ – площадью 1-a-b-4-1.
Теплота $q_2$, отбираемая воздухом из охлаждаемого объема (холодного источника) в изобарном процессе 2-3, равна
$$q_2=h_3–h_2,$$а теплота $q_1$, отдаваемая воздухом охлаждающей воде в охладителе (горячему источнику) в изобарном процессе 4-1, равна:
$$q_1=h_4–h_1.$$Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, получаем:
$$q_2=c_p·(T_3–T_2),$$ $$q_1=c_p·(T_4–T_1).$$Тогда выражение для холодильного коэффициента цикла воздушной холодильной установки:
$$ε=\frac{q_2}{q_1-q_2}=\frac{T_3-T_2}{(T_4-T_1 )-(T_3-T_2)}.$$Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Осуществить в холодильной установке подвод и отвод теплоты по изотермам удается в том случае, если в качестве хладагента используется влажный пар какой-либо легкокипящей жидкости, т.е. жидкости, у которой температура кипения при атмосферном давлении меньше температуры окружающей среды ($t_s≤20$ °C). В этом смысле подобный цикл напоминает теплосиловой цикл Ренкина, осуществляемый во влажном паре также с целью обеспечения изотермических процессов подвода и отвода теплоты. Схема холодильной установки, осуществляющей цикл с влажным паром, представлена на рисунке ниже.
Сжатый в компрессоре до давления $р_2$ влажный пар поступает в охладитель (конденсатор), где за счет отдачи теплоты охлаждающей воде происходит конденсация пара. Процесс конденсации происходит по изобаре-изотерме 2-3, так что из конденсатора выходит жидкость в состоянии насыщения, соответствующем точке 3 на $T–s$ диаграмме. В случае, когда процесс отвода теплоты происходит по изотерме, разность температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды может быть весьма малой.
Казалось бы, что далее жидкий хладагент должен быть направлен в детандер. Однако создание детандера, в котором расширяется и совершает работу не газ и даже не пар, а насыщенная жидкость, представляет собой трудную задачу. Поэтому в холодильных установках, использующих в качестве хладагентов влажные пары легкокипящих жидкостей, детандеры не применяются и вместо процесса расширения с отдачей внешней работы используется процесс расширения без отдачи внешней работы, т.е. процесс дросселирования.
Жидкость при давлении $р_2$ и температуре $T_3$ направляется в дроссельный (или, как иногда говорят, редукционный) вентиль, где она дросселируется до давления $р_2$. Из редукционного вентиля выходит влажный пар при температуре $T_4$ и с малой степенью сухости. По выходе из редукционного вентиля влажный пар направляется в помещенный в охлаждаемом объеме испаритель, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется; степень сухости влажного пара при этом возрастает. Изобарноизотермический процесс подвода теплоты к хладагенту в испарителе от охлаждаемого объема изображается в $T-s$ диаграмме линией $4-1$. Давление $р_1$ выбирается таким образом, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры охлаждаемого объема. В отличие от детандера редукционный вентиль позволяет осуществлять плавное регулирование температуры в охлаждаемом объеме посредством изменения степени открытия редукционного вентиля, обусловливающей давление и температуру влажного пара в испарителе.
Жидкость при давлении $р_2$ и температуре $T_3$ направляется в дроссельный (или, как иногда говорят, редукционный) вентиль, где она дросселируется до давления $р_2$. Из редукционного вентиля выходит влажный пар при температуре $T_4$ и с малой степенью сухости. По выходе из редукционного вентиля влажный пар направляется в помещенный в охлаждаемом объеме испаритель, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется; степень сухости влажного пара при этом возрастает. Изобарноизотермический процесс подвода теплоты к хладагенту в испарителе от охлаждаемого объема изображается в $T-s$ диаграмме линией $4-1$. Давление $р_1$ выбирается таким образом, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры охлаждаемого объема. В отличие от детандера редукционный вентиль позволяет осуществлять плавное регулирование температуры в охлаждаемом объеме посредством изменения степени открытия редукционного вентиля, обусловливающей давление и температуру влажного пара в испарителе.
Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор, где он адиабатно сжимается от давления $р_1$ до давления $р_2$. В процессе адиабатного сжатия степень сухости пара возрастает, так что из компрессора выходит сухой насыщенный пар. Обычно пар после охлаждаемого объема сепарируется, в результате чего влага отделяется и в компрессор поступает сухой насыщенный пар; это приводит к повышению внутреннего относительного КПД компрессора. Заметим, что в разных режимах работы установки возможны случаи, когда состояние пара, выходящего из компрессора, может оказаться как в области насыщения, так и в области перегрева. Затем пар направляется в конденсатор, и цикл замыкается.
Такого рода установка называется парокомпрессионной, так как в ней сжатие влажного пара осуществляется с помощью компрессора. В рассматриваемом цикле парокомпрессионной холодильной установки работа, затрачиваемая на привод компрессора, осуществляющего адиабатное сжатие хладагента, равна:
$$l_к=h_2-h_1.$$Теплота, подводимая к хладагенту в охлаждаемом объеме, равна:
$$q_2=h_1-h_4.$$Тогда выражение для холодильного коэффициента парокомпрессионного цикла:
$$ε=\frac{h_1-h_4}{h_2-h_1}.$$Как показывают расчеты, значение $ε$ цикла парокомпрессионной холодильной установки отличается от $ε$ холодильного цикла Карно значительно меньше, чем $ε$ цикла воздушной холодильной установки. Таким образом, парокомпрессионная холодильная установка имеет по сравнению с воздушной холодильной установкой значительно более высокий холодильный коэффициент, а также обеспечивает бóльшую холодопроизводительность. Следовательно, парокомпрессионная холодильная установка при малом температурном интервале термодинамически более совершенна, чем воздушная холодильная установка. При большом температурном интервале выгоднее окажется газовая холодильная установка.
В процессе работы всякой холодильной установки теплота отбирается из охлаждаемого объема и сообщается среде с более высокой температурой. Следовательно, результатом осуществления холодильного цикла является не только охлаждение теплоотдатчика, но и нагрев теплоприемника. Это позволило Кельвину в 1852 г. выдвинуть предложение об использовании холодильного цикла для отопления помещений, т.е. о создании так называемого теплового насоса.
Тепловым насосом называют холодильную установку, используемую обычно для подвода теплоты к нагреваемому объему. Такого рода установку называют тепловым насосом потому, что она как бы «перекачивает» теплоту из холодного источника в горячий; в горячий источник поступает теплота $q_1$, равная сумме теплоты $q_2$, отобранной от холодильного источника, и работы $l_ц$, подводимой извне для осуществления этого холодильного цикла. По существу тепловым насосом является всякая холодильная установка, однако этот термин обычно применяется для обозначения тех установок, главной задачей которых является нагрев теплоприемника.
Эффективность теплового насоса оценивается так называемым отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение количества теплоты $q_1$, сообщенной нагреваемому объему, к работе $l_ц$, подведенной в цикле:
$$ε_{отоп}=\frac{q_1}{l_ц}.$$На осуществление любого холодильного цикла (в том числе, разумеется, и цикла установки, используемой в качестве теплового насоса) расходуется подводимая от внешнего источника работа $l_ц$. Эта работа затрачивается на привод компрессора или другого аппарата, осуществляющего сжатие хладагента. Разумеется, вся эта работа может быть полностью превращена в теплоту (например, в электронагревателе), которую можно будет использовать для нагрева помещения. Преимущество теплового насоса перед любыми другими отопительными устройствами состоит в том, что при затрате одного и того же количества энергии ($l_ц$) с помощью теплового насоса к нагреваемому помещению подводится всегда большее количество теплоты ($l_ц+q_2$), чем то, которое подводится при любом другом способе отопления (так, при использовании электронагрева количество теплоты, подведенной к нагреваемому объему, равно $l_ц$). Это не должно вызывать удивления: если электронагреватель лишь превращает работу в теплоту, то тепловой насос с помощью того же количества работы превращает теплоту низкого температурного потенциала в теплоту более высокого температурного потенциала («перекачивает» тепло).
