Цикли КХМ.

Охолодження до температур, нижчих за температуру середовища, завжди пов’язано з переносом кількості теплоти від менш до більш нагрітого тіла. Згідно з другим законом термодинаміки, такий процес можливий лише за умов підведення енергії.

Розглянемо коловий процес холодильної машини, що працює за оберненим циклом Карно (рис.3.1)

Рисунок 3.1. зображення оберненого циклу Карно на s-T діаграмі.

В такому циклі перенос теплоти з більш низького температурного рівня на більш високий здійснюється за рахунок виконання зовнішньої роботи , що витрачається на адіабатний стиск робочого тіла з температурою (процес 1-2). Під час стиснення температура пари підвищується до температури T_к. Завдяки наявності високого тиску пара повністю конденсується в рідину (процес 2-3). Одержана рідина адіабатно розширюється (процес 3-4), а потім випаровується при зни­женому тиску (процес 4-1), відбираючи від охолоджуваного тіла певну кількість теплоти q_0K.

Кількість теплоти q_КК = l_0К + q_0K, що віддається зовнішньому сере­довищу при температурі Т_к, та кількість теплоти q_0K, що відбирається від охолоджуваного тіла з температурою Т_о, можна визначити як:

, (3.7)

, (3.8)

Робота l_0K, яка витрачається на стиснення пари:

(3.9)

Холодильний коефіцієнт:

(3.10)

Обернений цикл Карно розглядають як ідеальний цикл парової КХМ. На практиці здійснити такий цикл неможливо через наявність необо­ротних та самодовільних процесів, таких як тертя тощо. Тому в цикл Карно потрібно вносити зміни, які з термодинамічної точки зору погір­шують цикл, але надають можливість його реалізації.

Так адіабатне розширення рідкого холодоагенту (процес 1.4 на рис. 3.1) замінюється дроселюванням на дросельному вентилі, тобто необоротним розширенням від тиску р_к до тиску р₀ без здійснення зовнішньої роботи. Це веде до зменшення розмірів КХМ, її здешевлен­ня та спрощення експлуатації.

В такому випадку теплова діаграма приймає вигляд, зображений на рисунок 3.2, а. Процес дроселювання показано лінією 3-4', Положення точ­ки 4' на діаграмі свідчить про деяке зниження холодопродуктивності машини, тому що площа 1-4-b-а зменшується на величину 4-b-с-4',

Рисунок 3.2. Теплова діаграма циклу парової КХМ з дроселюванням (а без переохолодження; б - з переохолодженням)

Збільшення питомої холодопродуктивності циклу можна досягти пе­реохолодженням рідкого холодоагенту При цьому передача теплоти навколишньому середовищу не закінчується в точці 3 (див. рисунок 3.2, б), а продовжується по ізобарі, що збігається з лінією насиченої рідини х = 0, до точки 3", а вже потім йде дроселювання 3" -4". В результаті питома холодопродуктивність циклу збільшується на величину площі 4'-4" -е-с.

Для подальшого збільшення холодопродуктивності в компре­сор подається не волога пара стану 1, а суха насичена (а іноді й перегріта) пара стану 1' (рис, 3.3). При цьому питома хо­лодопродуктивність циклу зрос­тає на величину площі 1'-1-a-d, для чого, звичайно, потрібно ви­тратити додаткову роботу компресора 1-1'-2'-2.

Застосування цього методу має також важливі експлуатаційні переваги, тому що наявність кра­пель рідини у вологій парі стану 1 може призвести до гідравліч­ного удару в циліндрі компресо­ра та спричинити аварію. Таким чином, заміна " вологого ходу" компресора на " сухий хід" збільшує надійність роботи КХМ.

Цикл 1'-2'-2-3-3" -4" -1' (див. рисунок 3.3) є типовим для сучасних паро­вих одноступінчастих КХМ.