Нагретый в результате теплообмена с охлаждаемыми предметами воздух поступает из холодильной камеры 1 (рис. 1) в компрессор 2. Вследствие последующего быстрого сжатия температура воздуха поднимается выше температуры окружающей среды и вытесняемый в теплообменник 3 воздух при постоянном давлении отдает теплоту этой среде или охлаждающей жидкости. При этом температура воздуха понижается, оставаясь, однако в процессе теплообмена всегда выше температуры среды или жидкости. Пройдя через трубки теплообменника, воздух через клапаны попадает в расширительный цилиндр 4 (детендер). Здесь он расширяется, совершая «положительную» работу. Поскольку процесс расширения протекает относительно быстро, температура рабочего тела понижается и охлажденный подобным образом воздух в конце расширения через клапана попадает в холодильную камеру 1. Здесь при постоянном давлении он отбирает теплоту у охлаждаемых предметов, после чего вновь поступает в компрессор.
Холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки определяется как:
Где T1 – исходная температура рабочего тела, T2, T3, T4 – температуры компрессора, теплообменника и расширительного цилиндра.
Таким образом, холодильный коэффициент воздушной установки ξk определяется по той же формуле, как и для обратного цикла Карно. Однако эффективность этих двух циклов оказывается различной. Различие в эффективности цикла воздушной холодильной установки и обратного цикла Карно весьма существенно, и отношение ξ/ξk, в реальном диапазоне температур, как правило, не превосходит 0,3.
Помимо невысокой эффективности существенным недостатком воздушных холодильных установок являются и их большие габариты. Это предопредило поиск решений, позволяющих при увеличении эффективности уменьшить ее размеры. Достичь этого возможно в приближении к обратному циклу Карно, то есть в случае подвода и отвода теплоты в цикле по изотермам.
1.2 Циклы тепловых двигателей и установок
Круговой цикл (процесс) – это такой процесс, при котором газ (т.е. рабочее тело) после ряда изменений возвращается в исходное состояние.
Круговые процессы осуществляются в тепловых двигателях как процессы, периодически повторяющиеся. В системе p-v координат круговые процессы всегда замкнуты.
Рассмотрим изменение состояния газа в непрерывно работающем тепловом двигателе. Допустим, что газ с начальными параметрами, характеризующимися точкой 1 (рис. 2), вводится в соприкосновение с источником тепла, в результате чего газ расширяется до конечного состояния, характеризуемого точкой 2.
В процессе расширения газ совершает работу, измеряемую площадью 1-1′-2-3-4-1. Если газ сжимать при той же температуре, при которой он расширялся, то работа, затрачиваемая на сжатие, будет равна работе, получаемой при расширении, и в результате такого процесса работа будет равна нулю.
Следовательно, процесс сжатия необходимо вести при меньшей температуре, чем процесс расширения, т.е. при сжатии газ следует охлаждать.
Работа, затраченная на сжатие, изображается площадью 2-2′-1-4-3-2. в результате кругового процесса получается полезная работа, равная разности работ расширения и сжатия, которая изображается площадью 1-1′-1-4-3-2, ограниченной замкнутой кривой обоих процессов.
Для осуществления кругового процесса (цикла) и получения полезной работы необходимо к газу в процессе расширения подвести тепло , а в процессе сжатия отвести от него тепло .
Так как в круговом процессе конечное и начальное состояния газа совпадают, то изменение внутренней энергии газа за цикл равно нулю, т.е. .
На совершение полезной работы в круговом процессе затрачивается количество тепла q=q1-q2, где q1 и q2 — количество подведенного и отведенного тепла соответственно.
Процесс на рисунке 2 называют прямым, и он направлен по часовой стрелке. Прямые циклы имеют место в тепловых двигателях.
Экономичность цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.), обозна