Холодильная техника. Основы и теория термодинамики и теплообмена

Техническая термодинамика изучает практические вопросы преобразования тепловой и механических энергий в тепловых машинах (рис. 1). Вместе с гидравликой, электротехникой и теорией теплообмена техническая термодинамика является теоретической основой для изучения холодильной техники.

Рисунок 1 – Ответвления термодинамики

Фундаментом термодинамики являются два основных закона:

1. закон термодинамики – закон превращения и сохранения энергии;
2. закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность всех макроскопических процессов в термодинамических системах.

Объектом исследования термодинамики является термодинамическая система, и в термодинамике рассматривается ее взаимодействие с окружающей средой.

Под термодинамической системой понимают произвольно выделенную из окружающей среды совокупность составляющих её тел и микрочастиц, ограниченную строго определенными геометрическими формами, оболочкой или поверхностью.

Под окружающей средой понимают всеобъемлющую совокупность тел любой физико-химической природы, заполняющих некоторое выбранное пространство (рис 2).

Например, термодинамическая система – газ, находящийся вместе с поршнем в цилиндре, при этом окружающей средой будет поршень, цилиндр, наружный воздух.

Взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой называют термодинамическим процессом. В результате этого процесса меняется хотя бы один из её параметров, определяющий состояние термодинамической системы (температура, давление или объем).

Рисунок 2 – Термодинамическая система

Различают такие термодинамические системы:

• Изолированная – термодинамическая система, в которой взаимодействие с окружающей средой отсутствует;
• Адиабатная – термодинамическая система, в которой исключен теплообмен с окружающей средой;
• Однородная система – которая имеет во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства.

К основным видам термодинамических процессов относят:

• Изохорный процесс, при постоянном объеме ∆ν = 0;
• Изобарный процесс, при постоянном давлении ∆P = 0;
• Изотермический процесс, при постоянной температуре ∆Т = 0;
• Адиабатный процесс, в котором из окружающей среды не подводится и в окружающую среду не отводится тепло q = 0.

Для термодинамической системы выделяют две формы взаимодействия

• тепловое,
• механическое.

Техническая термодинамика включает в себя гораздо больший объем информации и авторы рекомендуют для дополнительного изучения соответствующую литературу.

В термодинамике механической работой называется работа, затраченная не только на изменение положения тела, но и на изменение его состояния (т.е. изменение его температуры, давления и т.п.).

Энергия может передаваться от окружающей среды к телу не только путем совершения механической работы, но и за счет передачи тепла от более нагретых тел к менее нагретым телам теплопроводностью, конвекцией, излучением.

Теплопроводность — свойство, характеризующее процесс передачи внутренней энергии от одной части тела (с большей температурой) к другой (с меньшей температурой) (рис. 3). Теплопроводность зависит от вещества.

Рисунок 3 – Теплопроводность

Конвекция – процесс переноса тепла, посредством потока жидкости или газа. Бывает, как вынужденной, с помощью сторонних устройств: вентилятора или мешалки, так и естественной при самопроизвольном движении среды из-за разности температур и плотности (рис. 4).

а)                                                                                                  б)

Рисунок 4 – Конвекция: а) вынужденная, б) естественная

Излучение – электромагнитное излучение, которое испускает тело, обладающее внутренней энергией и определенной температурой, описывается законом Стефана – Больцмана.

Работа будет является количественной мерой механического взаимодействия, а количеством теплоты называться количество энергии, перешедшей в тепловой форме.

Различают процессы равновесные, обратимые и необратимые.

Равновесным процессом считают такое воздействие, при котором система стремится к равновесному состоянию и такой процесс можно отнести к предельно незначительным, его параметры меняются очень медленно.

Обратимый процесс – это процесс, который может протекать как в прямом, так и обратном направлениях. О понятии «обратимые машины» более подробно можно узнать в источнике.

Круговой процесс или цикл – это термодинамический процесс, в результате которого система возвращается в первоначальное состояние по всем параметрам.

1. Параметры состояния

При взаимодействии с окружающей средой, термодинамическая система меняет свои свойства. Для описания свойств систем используют различные физические величины, называемые параметрами состояния.

Параметры состояния – любая величина, присущая телу, изменение которой определяется только начальным и конечным состоянием тела и не зависит от характера процесса изменения его состояния, при переходе его из первого состояния во второе. Параметры состояния разделяются на интенсивные и экстенсивные.

Интенсивные параметры – это параметры, не зависящие от массы рассматриваемой системы (температура и давление).

Экстенсивные или аддитивные – параметры значения которых пропорциональны массе системы (энергия, объем, энтропия и т.д.).

К основным параметрам термодинамической системы относят её температуру (), давление (), плотность () или обратную величину плотности, удельный объем (), удельную энтальпию (), удельную энтропию (), удельная теплоемкость ().

Температура – физическая величина, характеризующая внутреннюю энергию термодинамической системы, и интуитивно выражает степень нагретости тел.

Чаще всего температура указывается в градусах Цельсия (°C), по шкале, придуманной на основе изменения агрегатного состояния воды при атмосферном давлении, или в абсолютных градусах Кельвина (К) (рис. 5).

Температуру в Кельвинах применяют при расчетах в термодинамике. За термодинамический параметр состояния системы принимают абсолютную температуру, т.е. температуру в градусах Кельвина. Для того, чтобы перевести значение температуры из одной шкалы в другую используют соотношение:

 (1)

Так же существуют и другие единицы измерения температуры, применяемые в других странах, например, температура в градусах Фаренгейта (°F). Её можно встретить при работе с иностранным оборудованием или приборами. Градус Фаренгейта переводится в Цельсия с помощь формулы:

 (2)

Рисунок 5 – Температурные шкалы Кельвина и Цельсия

Измерение температуры проводят с помощью термометров. Существуют электронные термометры (термометры сопротивления, термопары, электронные термодатчики т.п.), а также жидкостные, механические, инфракрасные и другие термометры (рис. 6). Каждый вид термометров имеет свои особенности, область применения и погрешность.

Рисунок 6 – Термометры: а) электрический; б) инфракрасные; в) манометрический

Давление – это отношение силы на площадь поверхности, на которую воздействует эта сила. Единица измерения в системе единиц СИ: Н/м². Давление, создаваемое силой в один Ньютон на площадь один квадратный метр, равно одному Паскалю (Па). В тепловых процессах большие величины давления проще выражать в Барах или атмосферах: 1 Бар = 10⁵ Па.

Одна техническая атмосфера (ат) соответствует давлению 1 кг силы на см². 1 ат = 1 кгс/см² =98066,5 Па. Эта же величина будет равна давлению высоты водного столба высотой в 10 м или ртутного столба высотой 735,56 мм.

Иногда, при работе можно встретить давление в PSI (фунт сила на квадратный дюйм) и другие (табл. 1):

(3)

Приборы для измерения давления называют манометры и вакуумметры, они не показывают абсолютную величину давления. Они лишь отображают, как отличается давление в сосуде, к которому подключен манометр, от атмосферного давления.

Таблица 1 – Единицы измерения давления

	Паскаль	Бар	Техническая атмосфера	Физическая атмосфера	Миллиметр ртутного столба	Фунт-сила на квадратный дюйм	Микрон
	(Pa, Па)	(bar, бар)	(at, ат)	(atm, атм)	(mmHg, torr, торр)	(psi)	(μκ, микрон)
1 Па	1 Н·м2	10-5	10,197·10-6	9,8692·10-6	7,5006·10-6	145,04·10-6	7,5
1 бар	105	1·106 дин/см2	1,0197	0,98692	750,06	14,504	7,5·105
1 ат	98066,5	0,980665	1 кгс/см2	0,96784	735,56	14,223	7,356·105
1 атм	101325	1,01325	1,033	1 атм	760	14,696	7,6·105
1 mmHg	133,322	1,3332·10-3	1,3595·10-3	1,3158·10-3	1 mmHg	19,337·10-3	1000
1 psi	6894,76	68,948·10-3	70,307·10-3	68,046·10-3	51,715	1 lbf/in2	5,171·104
1 микрон	0,1333	1,333·10-6	1,3595·10-6	1,3158·10-6	10-3	19,337·10-6	1 μκ
1″ Hg	3,386·103	0,33864	34,531·10-3	33,42·10-3	25,4	4,9116	25,4·103

Таблицу физических величин СИ смотрите в Международная система единиц, СИ.

Атмосферное давление (Pатм) – это давление, которое оказывает атмосфера Земли на её поверхность.

Абсолютное давление (Pабс) – это действительная величина давления, оказываемого на какую-либо поверхность.

Избыточное давление – разность между абсолютным и атмосферным давлением. Манометры показывают избыточное давление, которое часто в справочниках обозначают ман, изб, и т.п. ( ман = абс − атм. ).

В большинстве манометров имеется винт для установки нуля.

Настройка нуля может потребоваться, если манометр эксплуатируется при пониженном атмосферном давлении (на большой высоте над уровнем моря).

Для измерения малых величин давления или давлений ниже атмосферного используют мановакуумметр.

Точность измерений манометра со временем может снижаться. Поэтому манометры должны поверяться каждые 1…2 года. В случае необходимости их калибруют.

У большинства манометров оптимальный диапазон измерений составляет не более 3/4 шкалы. Если измеряемое давление на 25% превышает максимальное значение, указанное на шкале манометра, то манометр может быть поврежден.

Помимо шкалы, на которой указаны величины давлений, многие манометры снабжены шкалами температур насыщения, для определенных хладагентов (рис. 7).

Рисунок 7 – Манометр с шкалами температур насыщения хладагентов: R134a, R404A, R507, R407C

Плотностью () тела или вещества называют массой единицы объема, или отношение массы тела к его объему [кг/м³]:

(4)

где m – масса тела в кг; V – объем тела в м³.

Удельный объем () – величина обратная плотности, т.е. объем  единицы массы вещества [м³/кг]

(5)

Удельная теплоемкость () – это теплофизическая характеристика, которая показывает, какое количество теплоты (Q) необходимо для изменения температуры на 1 градус, тела массой 1 кг ( = const, = const) [ Дж/кг·град ].

(6)

где ∆ – элементарное количество подведенного тепла; – масса тела; ∆ – элементарное изменение температуры тела в градусах К.

Удельная теплоемкость – это теплофизическая характеристика, так как изменяется в зависимости от температуры вещества. В расчётах же используют среднее значение теплоемкости для некого интервала температур, за который рассматриваемый процесс не выходит.

Различают следующие виды удельных теплоемкостей:

Молярные (_μ) и массовые (), т.е. при отношении к единице массы вещества или количеству молей вещества.

Изобарные () и изохорные (с), в зависимости от того, при каком процессе происходит нагревание или охлаждение газов.

Энергия – величина, являющаяся мерой различных форм движения и взаимодействия материи. Тепловые процессы характеризуются тепловой энергией, внутренней, а механические процессы – потенциальной и кинетической, работой. Единица измерения: Джоуль (Дж).

Первый закон термодинамики устанавливает, что количество теплоты, прошедшее через термодинамическую систему, равно изменению внутренней энергии и работе, совершенной системой против внешних сил:

(7)

где – количество подведенной теплоты, Дж; U – изменение внутренней энергии системы, Дж; – работа внешних сил, Дж.

Внутренней энергией U (Дж) называют совокупность всех видов энергий тела, или системы тел. Её можно представить, как сумму кинетической энергии молекул (поступательного и вращательного движения молекул); колебательного движения атомов в самой молекуле; энергии электронов; внутриядерной энергии; потенциальной энергии молекул, энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами. В технической термодинамике рассматриваются процессы, связанные с изменением кинетической и потенциальной составляющей внутренней энергии, при этом абсолютное значение внутренней энергии не требуется.

Второй закон устанавливает, что теплота не может переходить самопроизвольно от менее нагретого тела к более нагретому. Такой переход тепла можно осуществить, только затратив работу или определенное количество другой энергии. Самопроизвольный переход теплоты к системе с меньшей температурой является процессом необратимым в отличие от обратимых процессов, т.е. таких, которые могут протекать одинаково в обоих направлениях. Практически все реальные процессы, происходящие в холодильных машинах, необратимы.

Третий закон устанавливает невозможность достижения абсолютного нуля температур ( = −273,15 °С).

Идеальным газом называют такой газ, в котором отсутствуют силы взаимного притяжения и отталкивания молекул, также размерами самих молекул пренебрегают.

Уравнение состояния идеального газа выведено французским физиком Клапейроном и имеет вид:

 (8)

где R – газовая постоянная, которая показывает работу 1 кг газа, в изобарном процессе при изменении температуры на 1 градус. Газовую постоянную можно найти через универсальную газовую постоянную = 8314,20 Дж/(кмоль·К) и – молярную (молекулярную) массу газа:

(9)

Основные термодинамические параметры состояния (, , ) однородной системы зависят друг от друга и взаимосвязаны определенным математическим уравнением – уравнением состояния:

(10)

Если при любом термодинамическом процессе изменение параметра не зависит от вида самого процесса, а определяются только начальное и конечное состояние, то параметры состояния называются функцией состояния.

Энтальпия – это та энергия тела, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении. Обычно в расчётах используют удельную энтальпию, или энтальпию, отнесенную к 1 кг массы вещества рассматриваемого рабочего тела или системы. Удельная энтальпия показывает количество энергии, которое содержит в себе 1 кг массы вещества рабочего тела [кДж/кг]:

(11)

где – внутренняя энергия рабочего тела, определяемая его температурой и теплоемкостью, кДж/кг; – давление рабочего тела, Па; – удельный объем вещества, м³/кг.

Энтропия выражает меру рассеивания энергии, что не всю энергию системы можно использовать для превращения в полезную работу. В любом термодинамическом процессе энтропия полностью определяется начальным и конечным состоянием тела и не зависит от пути протекания процесса.

Энтропию можно определить, как функцию основных параметров состояния:

(12)

Изменение удельной энтропии [кДж/кг∙К]:

(13)

Здесь ∆q – подводимое к термодинамической системе количество теплоты, кДж/кг; – температура, К;

По характеру изменения энтропии можно судить, в каком направлении происходит теплообмен. При подводе теплоты к телу, его энтропия возрастает, а при отводе теплоты уменьшается.

2. Способы получения низких температур

Охлаждение – процесс отвода тепла от охлаждаемого объекта, сопровождаемый понижением его температуры. Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении тепловая энергия переходит от более нагретого к менее нагретому. При искусственном охлаждении создаются такие условия, при которых получается температура ниже температуры окружающей среды. Искусственное охлаждения сопровождается физическими процессами, при которых происходит поглощение теплоты.

К таким процессам встречающимся в холодильном оборудовании можно отнести: фазовый переход вещества, при котором поглощается тепло извне (плавление – переход из твердого состояния в жидкое; испарение и кипение – переход тела из жидкого в газообразное состояние); фазовый переход при котором происходит выделение тепла (конденсация – переход вещества из газообразного состояние в жидкое, этот процесс используется при отводе тепла) и др. процессы: сублимация, термоэлектрический эффект, десорбция газов, адиабатическое расширение, адиабатическое размагничивание парамагнетиков.

Фазовый переход вещества при плавлении, кипении, сублимации происходит при соответствующих температурах и давлениях, с поглощением значительного количества теплоты. Эту величину называют удельной теплотой плавления, удельной теплотой парообразования (кДж/кг).

Агрегатное состояние вещества зависит от его температуры и давления (рис. 8).

Рисунок 8 – Температурная диаграмма энтальпии воды

Во время фазового перехода температура вещества остается постоянной, пока вещество полностью не изменит своё агрегатное состояние.

Для представления зависимости фазовых превращений веществ от температуры и давления используют фазовые диаграммы (рис. 9).

Три линии диаграммы разделяют зоны, в которых вещество может находиться только в жидком, твердом или газообразном состоянии. Все эти состояния сосуществуют в точке скрещения линий – тройной точке. В точках на линиях вещество находится в двух фазах одновременно. Отрезок между тройной точкой «Т» и критической точкой «К» называют кривой упругости пара или кривой кипения.

В области кривой упругости пара вода и пар существуют одновременно. Для перехода воды в пар (разрыва молекулярных связей) требуется большое количество тепловой энергии. Во время перехода часть жидкости уже превращена в пар, а другая часть все еще находится в жидком состоянии.

Рисунок 9 – Фазовая диаграмма вещества

Пар, образовавшийся в начале испарения, называют влажным паром, т.к. он содержит влагу. Пар, не содержащий частиц воды, с температурой, равной температуре кипения, называют сухим паром.

Если передача тепла продолжается, и температура пара растет выше температуры кипения, такой пар становится перегретым.

При охлаждении пара наблюдается изменение фаз в обратном порядке от описанных выше. Количество энергии, затрачиваемое для испарения (теплота испарения) равна количеству теплоты, высвобождаемой при конденсации вещества.

Для облегчения расчетов уравнение теплосодержания влажного воздуха представляют в виде графика, получившего название I-d диаграмма.

На рисунке приведена I-d диаграмма.

I-d диаграмма построена в косоугольной системе координат. По оси ординат откладываются значения энтальпии I, а по оси абсцисс, расположенной под углом 135° к оси ординат, откладывается влагосодержание d. Начало координат (точка 0) соответствует значениям I = d = 0. Ниже точки 0 откладываются отрицательные значения энтальпии, выше — положительные. На полученной таким образом сетке строятся линии изотерм t = const, линии постоянных относительных влажностей φ=const, парциального давления водяного пара и влагосодержания.

Нижняя кривая φ=100 % характеризует насыщенное состояние воздуха и называется пограничной кривой. При повышении барометрического давления линия насыщения смещается вверх, а при понижении давления — вниз.

На I-d диаграмме область, расположенная выше пограничной кривой (φ=100 %), является областью ненасыщенного пара, а ниже пограничной кривой — областью перенасыщенного влажного воздуха. В этой области насыщенный воздух содержит влагу в жидкой или твердой фазе. Как правило, эта область не интересует проектировщиков, поэтому на I-d диаграмме ее не строят.

На I-d диаграмме каждая точка выше пограничной кривой отражает определенное состояние воздуха (температуру, влагосодержание, относительную влажность, энтальпию, парциальное давление водяного пара). Если воздух подвергается термодинамическому процессу, то переход его из одного состояния (точка А) в другое (точка В) соответствует на I-d диаграмме линии АВ.

Адиабатическое дросселирование это процесс необратимого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождении его через сужение поперечного сечения (перегородку с отверстием, пористую перегородку) без совершения внешней работы и без сообщения или отнятия теплоты. Этот процесс показан на рисунке 10:

Рисунок 10 – Адиабатическое дросселирование: I – начальное состояние с параметрами p₁, T₁, c₁; II – конечное состояние дросселирования с параметрами p₂, T₂, c₂; ∆p – величина изменения давления

При адиабатическом дросселировании газа, происходит изменение его температуры. Энтальпия газа при дросселировании не изменяется ( = const).

Уравнением процесса дросселирования является:

Для идеальных газов при дросселировании его температура не меняется, так как для идеальных газов энтальпия является однозначной функцией температуры. При дросселировании реальных газов энтальпия газа остается постоянной, а энтропия и объем увеличиваются, при этом давление снижается, температура – снижается в большинстве случаев.

В зависимости от начального состояния реального газа перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменения.

Точка, соответствующая начальному состоянию газа, в которой температура газа при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, температурой инверсии.

При начальных температурах газа, которые меньше температуры инверсии, реальный газ при дросселировании будет охлаждаться, а при начальных температурах больше температуры инверсии — нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеет довольно высокую температуру инверсии (600°С и выше), поэтому практически для всех газообразных веществ в области, близкой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.

Для получения низких и сверхнизких температур используют адиабатические процессы расширения (без подвода и отвода теплоты). В них газ совершает механическую работу в следствии уменьшения внутренней энергии. Адиабатическое расширение газа в детандере (поршневой расширитель) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект возникает в вихревых трубах (рис. 11) при подаче в них сжатого воздуха (по тангенциальному направлению), имеющего температуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна радиусу трубки. Центральная часть вращающегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вследствие чего температура воздуха у стенки трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную части потока. Это явление называется эффектом Ранка.

Рисунок 11 – Вихревая трубка эффект Ранка-Хилша

Термоэлектрический эффект, или так называемый эффект Пельтье. Его суть заключается в следующем: при прохождении постоянного электрического тока через цепь, состоящую из двух разнородных проводников, или полупроводников, один из спаев имеет низкую температуру, а другой — высокую.

Холодный спай термоэлемента, состоящего из двух ветвей, соединенных токоведущими шинами, является источником низкой температуры (рис. 12).

Рисунок 12 – Элемент Пельтье

Основной показатель качества термоэлемента — коэффициент добротности (эффективность вещества), определяющий максимальную разность температур горячего и холодного спаев.

Таким образом, осуществляя определенный физический процесс, можно получить источник требуемой низкой температуры, необходимый для понижения температуры тела, т.е. для его охлаждения. Более подробное, математическое описание эффекта Пельте и других способов получения низких температур можно найти в учебнике.

Для осуществления процесса охлаждения необходимо иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее – источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой температуры должен функционировать постоянно, так как охлаждение должно осуществляться непрерывно. Это возможно при достаточно большом запасе охлаждающего вещества (тела) или при его конечном количестве, если восстанавливать первоначальное состояние вещества. Последний метод непрерывного получения низкой температуры широко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.

3. Циклы парокомпрессионных холодильных машин

Работа тепловой или холодильной машины протекает по термодинамическому циклу.

Для начала необходимо понять принцип работы простейшей холодильной машины. Её схема показана на рисунке 14.

Рисунок 14 – Элементы компрессионного цикла охлаждения: КМ – компрессор; КО – конденсатор; РП – регулятор потока (дросселирующее устройство); ИС – испаритель

Рабочее вещество, за счет которого осуществляется охлаждение (хладагент) циркулирует по замкнутому циклу, сопровождаемым четырьмя физическими процессами: сжатие, конденсация, дросселирование и кипение.

Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация — при высоком давлении и температуре. Сжатие и дросселирование – это переходные процессы от испарения к конденсации и наоборот.

Как происходит перенос тепла от охлаждаемого объекта (условно принимаем воздух в холодильной камере) в окружающую среду: хладагент кипит в испарителе (ИС – воздушный теплообменник) из-за снижения давления в дросселирующем устройстве (РП — регулятор потока) и откачивания паров компрессором, и происходит поглощение теплоты из воздуха в холодильной камере (при этом температура кипения хладагента ниже, чем температура воздуха в камере). Затем парообразный хладагент всасывается компрессором (КМ – компрессором), который затем повышает давление хладагента до высоких значений. Из-за повышения давления температура хладагента тоже повышается и становится выше температуры окружающей среды (70…90 °С). Далее хладагент попадает в конденсатор (КО), где он конденсируется (переходит в жидкую фазу) и отдает в окружающую среду тепло, которое хладагент забрал в испарителе. На выходе из конденсатора хладагент находится в жидком состоянии и с высоким давлением. Затем проходит через дросселирующее устройство (РП – регулятор потока) и снова попадает в испаритель. Далее цикл постоянно повторяется как указано в диаграмме (рис. 15).

Рисунок 15 – Диаграмма lg −

Температура кипения обозначается 0 или 0, обычно её величина на 5-10 градусов ниже требуемой температуры воздуха в охлаждаемой камере.

На диаграмме (рис. 16) этой температуре соответствуют точки участка (4- 1’) в холодильном цикле.

Температура конденсации к или к для конденсаторов воздушного охлаждения на 10-20 градусов выше температуры атмосферного воздуха. На диаграмме (рис 16) этой температуре соответствуют точки участка (2’-3’).

Рисунок 16 – Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме lgp-i

Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкости на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации. Переохлаждение (3’-3) в конденсаторах с воздушным охлаждением обычно составляет примерно 4…7 °С.

Размеры испарителя выбираются таким образом, чтобы жидкость полностью испарилась внутри испарителя. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения, происходит так называемый перегрев (1’-1) хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются, и в компрессор не попадает жидкость. Величина перегрева может составлять от 5…8 °С до 30°С и более.

Теоретически цикл холодильной машины удобно изображается на диаграмме абсолютного давления (в логарифмическом масштабе) – удельной энтальпии (lg − ), представленной на рис. 16.

Из диаграммы при расчете холодильного цикла мы можем узнать необходимые параметры в нужной нам точке. Температуру, соответствующую давлению (), значение удельной энтальпии (),  влагосодержание (), удельный объем ().

Характерные точки в цикле (1-4) так же указаны на рисунке 14 и точки на диаграмме совпадают с ними.

По разности энтальпий в точках можно находить:

Удельную холодопроизводительность [кДж/кг]:

 (14)

Удельную теплоту, отведенную в конденсаторе [кДж/кг]:

 (15)

Удельную работу компрессора для адиабатического сжатия хладагента [ кДж/кг ]:

 (16)

Зная требуемую холодопроизводительность холодильной установки ₀ [кВт] (она же и будет тепловой нагрузкой на испаритель) и удельную холодопроизводительность 0, можно найти количество циркулирующего холодильного агента [кг/с]:

 (17)

где Q₀ – требуемая холодопроизводительность холодильной машины, кВт. Количество циркулирующего холодильного агента G показывает, сколько хладагента должен перекачать компрессор за одну секунду, чтобы отвести заданное количество тепла от охлаждаемого объекта.

Из массового расхода, можно вычислить теоретическую мощность компрессора [кВт]:

(18)

Теоретический объем пара, засасываемого компрессором [м3/с]:

 (19)

Описываемый объем компрессора [м³/с]:

(20)

где – коэффициент подачи компрессора, определяемый в зависимости от отношения давления конденсации к к давлению кипения хладагента в испарителе ₀ ( = _к/₀).

Мощность электродвигателя для поршневого компрессора [кВт]:

(21)

где _об = _мэлпер – общий КПД компрессора;

– индикаторный КПД компрессора;

_м – механический КПД компрессора и механизма передачи движения от электродвигателя к рабочим органам компрессора;

_эл – коэффициент полезного действия электродвигателя.

_пер – коэффициент полезного действия механической передачи.

Теоретический холодильный коэффициент цикла показывает отношение холодопроизводительности установки к мощности компрессора (без учета всех видов потерь энергии):

(22)

Одним из наиболее важных параметров любой холодильной машины является её эффективность. В общем случае эффективность машины можно оценить отношением производимого холода к действительному энергопотреблению. Эффективность оценивается при помощи показателей EER и COP.

Показатель EER (англ. Energy Efficiency Rating — коэффициент энергетической эффективности), представляющий собой отношение мощности по холоду (холодопроизводительности) в БТЕ/ч к потребляемой мощности в Ваттах. Например, кондиционер с энергопотреблением 1200 Вт может иметь EER, равный 8,3 БТЕ/(Вт·ч). Чем выше EER холодильной машины, тем эффективнее это устройство с точки зрения энергозатрат.

Показатель СОР (англ. Coefficient of Performance — коэффициент производительности или холодильный коэффициент) идентичен коэффициенту EER и отличается от него только тем, что обе входящие в расчет величины (холодопроизводительность и потребляемая мощность) измеряются в одних и тех же единицах — ваттах, а поскольку 1 Вт = 3,412 БТЕ/ч, то EER = 3,412 СОР. Для расчета COP используется формула:

 (23)

где ₀ – холодопроизводительность машины, кВт; – энергопотребление, кВт.

Заметим, что потребляемая мощность и мощность по холоду (холодопроизводительность) либо мощность по теплу (теплопроизводительность) — не одно и то же. Нетрудно найти соотношение между холодопроизводительностью и потребляемой мощностью для приведенного выше в качестве примера «оконника-десятитысячника»: поделим его EER на коэффициент 3,41, связывающий ватты и БТЕ/ч и получим 2,44. Иными словами, при потребляемой мощности 1200 Вт этот кондиционер производит холода в 2,44 раза больше (2930 Вт).

Если две машины работают при одинаковых условиях, то наиболее эффективной считается та, у которой показатель СОР больше.

Для оценки эффективности кондиционера, который работает в режиме нагрева (или другими словами теплового насоса), используют отопительный коэффициент. Он определяется как количество теплоты, выделяемое на конденсаторе к энергопотреблению:

(24)

где к – телота выделяемая на конденсаторе, кВт; – энергопотребление, кВт.

4. Холодильные агенты

Для охлаждения холодильным машинам необходимо рабочее вещество или холодильный агент. Испаряясь в испарителе, хладагент отбирает тепло из охлаждаемого объема, затем после сжатия компрессором и перехода в жидкое состояние отдает это тепло окружающей среде.

Холодильный агент (хладагент) – используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при низких значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких значениях температуры и давления. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды.

Для создания эффективной холодильной машины хладагент должен обладать следующими свойствами:

1. Иметь высокую удельную энтальпию, так как холодопроизводительность холодильной машины прямо пропорциональна энтальпии.
2. Должен иметь необходимую температуру кипения, обеспечивающую охлаждение, работать под определенный режим.
3. Для получения высоких значений холодильного коэффициента необходимо, чтобы потребляемая мощность компрессора была как можно меньше.
4. Хладагент должен иметь высокую теплопроводность, небольшую вязкость. В этом случае гидравлические потери на трение, местные сопротивления и затраты энергии на циркуляцию хладагента в холодильном контуре будут малы.
5. Должен хорошо растворяться в масле, обеспечивая смазку компрессора и возврат масла из холодильного контура.
6. Не должен быть электропроводным.
7. Должен быть экологически чистым.
8. Должен обладать термохимической стабильностью, что исключает необходимость его замены со временем.
9. Должен по возможности быть нетоксичным, негорючим и невзрывоопасным.
10. Должен иметь не слишком высокую стоимость.

Длительное время до 1930х годов из-за отсутствия альтернатив в качестве хладагентов использовались такие вещества, широко распространенные в природе, как аммиак (NH₃), углекислый газ (СО₂) и двуокись серы (SO₂).

В 1930м году в США создают холодильный агент R12, который получил торговую марку «Фреон». По химическому составу R12 и другие последующие фреоны, включены в группу хлорфторуглеродов (ХФУ). Такие хладагенты как R22 относят к гидрохлорфторуглеродам (ГХФУ). Те хладагенты, которые не содержат хлор (R134a) безопасны для озонового слоя и относятся к группе гидрофторуглеродов (ГФУ).

В кондиционировании автотранспорта до 1992 года использовали фреон R12, но из-за пагубного влияния на озоновый слой земли разработали и стали применять хладагент R134a.

Экологически безопасными считаются хладагенты с нулевым потенциалом разрушения озонового слоя (Ozone Depletion Potential — ODP) и минимальным потенциалом глобального потепления (Global Warming Potential — GWP). Потенциал GWP показывает, какому количеству килограмм CO₂ эквивалентно по влиянию на атмосферу 1 кг данного вещества, т.е. GWP (CO₂) = 1. Например, выброс 1 кг R134a равен по влиянию на парниковый эффект выбросу 1400 кг CO₂.

Чем показатели ODP и GWP ниже, тем безопаснее хладагент.

Начиная с середины 80-ых годов принят ряд международных соглашений (Вена, 1985; Монреаль, 1987; Киото, 1997) об уменьшении использования и производства хлорсодержащих хладагентов, и замене их озонобезопасными хладагентами.

Тип хладагента можно определить следующими способами:

1. В действующей холодильной установке по информационным табличкам, а также по надписям, сделанным на компрессоре, ТРВ или корпусе холодильной установки.
2. По величине давления в сосуде после уравнивания температуры с окружающей средой.
3. При помощи устройства для идентификации хладагентов (газоанализатор, рис. 17). Это компактное электронное устройство, которое позволяет определить состав смесей ХФУ, ГХФУ, ГФУ, углеводородных хладагентов и воздуха.

Рисунок 17 – Газоанализатор для хладагентов

Основные статусы, область применения существующих холодильных агентов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Назначение хладагентов

Хладагент	Статус	Тип	Область	Класс	Масла
R12	З	ХФУ	АК, КВ	A1	MO, A
R22	В	ГХФУ	КВ, ОХ, ЗА	A1	MO, A2, POE
R23	Б	ГФУ	ОНТ	A1	POE
R32	Б		КВ	A2	POE, PVE
R114	З	ГХФУ	ВТ
R123				B1	MO, A
R124	В	ГХФУ	ВТ		MO, A2
R134	Б	ГФУ	КВ, АК, ОХ	A1	POE
R227ea	И		ВТ	A1	POE
R290	Б	УВ	ОХ	A3	POE, MO, A?,
R401A / R401B	В	ГХФУ	КВ	A1	A, MA, POE1
R402A / R402B	В	ГХФУ	ЗА	A1	A, MA, POE1
R403B	В	ГХФУ	ЗА	A1	A, MO, POE?
R404A	И	ГФУ	КВ, ОХ, ЗА	A1	POE
R407A, R407C, R407F	Б	ГФУ	КВ, ОХ, ЗА	A1	POE
R408A	В	ГХФУ	ЗА	A1	A, MO, POE1
R409A	В	ГХФУ	КВ	A1	A, MO
R410A	Б	ГФУ	КВ, ОХ, ЗА	A1	POE
R414B				A1	A, MO
R422A	И	ГФУ	ЗА	A1	A, POE
R427A	Б	ГФО	КВ, ОХ, ЗА	A1	POE
R437A	Б	ГФО	КВ	A1	A, POE
R438A	Б	ГФО	КВ	A1	POE
R444A	П	ГФО	КВ		POE
R448A	П	ГФО	КВ, ОХ, ЗА	A1	POE
R449A	П	ГФО	КВ, ОХ, ЗА	A1	POE
R450	П	ГФО	КВ, ОХ	A1	POE
R452	П	ГФО	ЗА	A1	POE
R455	П	ГФО	ОХ, ЗА	A2L	POE
R502	З	ХФУ	ЗА	A1	MO, A
R503	З	ХФУ	ОНТ	A1
R507A	И	ГФУ	ОХ, ЗА	A1	POE
R508B	Б	ГФУ	ОНТ	A1	POE
R513	П	ГФО	КВ, ОХ	A1	POE
R600A	Б	УВ	КВ, ОХ	A3	MO, POE, A
R717	Б	П	ОХ, ЗА	B2	MO, PAO
R744	Б	П	ОХ, КВ	A1	POE, PAG
R1234yf	П	ГФО	АК, КВ, ОХ	A2L	POE
R1234ze	П	ГФО	КВ, ОХ	A2L	POE

Области применения:

• АК – автокондиционеры;
• КВ – кондиционирование воздуха;
• ОХ – охлаждение;
• ЗА – замораживание;
• ОНТ – очень низкие температуры (ниже -50°С);
• ВТ – высокие температуры (Цикл Ренкина).

Примечание: «Класс хладагента» – опасность по классификации стандарта ASHRAE Standart 34 Safety Rating

Статус:

• З – запрещен, выведен из эксплуатации;
• В – уже выводится из эксплуатации;
• И – используется, но планируется его вывод из эксплуатации к 2020 году;
• Б – используется, запрет не планируется;
• П – возможно применение в будущем.

Масла:

• МО – минеральные масла;
• А – алкилбензольные масла;
• МА – смесь минеральных и алкилбензольных масел;
• РАО – поли-α-олефиновые масла;
• PAG – полиалкиленгликолевые масла;
• POE – полиэфирные масла;
• PVE – поливинилэфирные масла.

Все основные физические свойства хладагентов можно определять при помощи специальных диаграмм, из таблиц, специальных линеек холодильщика, и компьютерных программ.

Основные физические свойства хладагентов приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Физические свойства хладагентов

Хлорфторуглеродов

Гидрофторхлоруглеродов

Озонобезопасные хладагенты

Прежде всего, необходимо определить количество ГХФУ, содержащееся в существующих системах и оборудовании. Это позволит получить важные данные по потребностям в заменяющем хладагенте и укажет на имеющееся количество хладагента, который можно будет вторично использовать после конверсии или замены системы. Многие установки имеют значительные утечки хладагента. Низкое потребление хладагента может способствовать его длительному использованию на протяжении еще нескольких лет.