Принцип дії холодильної машини

Холодильними машинами називають установки для охолодження матеріалів чи приміщень промислового та побутового призначення. Розглянемо принцип дії холодильної машини (рис. 3.15). До об’єкта охолодження з довкілля надходить тепло Q_Т. Щоб його температура не підвищувалася, необхідно відбирати від нього тепло Q₀ = Q_Т. Якщо Q₀ > Q_Т, то температура об’єкта буде знижуватися. Холодильна машина має дві частини: холодну і теплу. Температура холодної частини на 10 – 15 ⁰С менша від температури об’єкта охолодження, тому вона відбирає тепло від цього об’єкта. Для повернення тепла Q₀ у довкілля необхідно затратити роботу W. Ця робота, перетворена у тепло, разом з корисним теплом Q₀ передається теплу частину, температура якої на 10 – 15 ⁰С більша від температури довкілля. Тому й передається це тепло від теплої частини машини до довкілля.

На рис. 3.16 наведена схема найпоширенішого холодильника, який складається з чотирьох частин: випарника, компресора, конденсатора і розширювального клапана (можливо регулювального вентиля). Внутрішній об’єм елементів холодильника заповнений робочим тілом – холодильним агентом. У різних частинах машини робоче тіло має різну температуру, тиск і густину. Замкнута послідовність зміни стану робочого тіла називається циклом.

Цикл холодильної машини складається зі стискання пари робочого тіла у компресорі (оскільки у компресорі не втрачається тепло, то такий процес називається адіабатичним), ізобаричний (без зміни тиску) процес охолодження робочого тіла до рідкого стану у конденсаторі, Дроселювання робочого тіла у розширювальному клапані та ізобаричний процес кипіння робочого тіла у випарнику. У випарнику робоче тіло нагрівається до температури, вищої від температури його кипіння. Далі цикл повторюється.

Рис. 3.15. Принципова схема холодильної машини	Рис. 3.16. Холодильник з розширювальним клапаном

У компресорі тиск пари збільшується з р₀ до р_К, що супроводжується збільшенням внутрішньої енергії робочого тіла, тиску і температури. Температура тим більша, чим більше значення тиску р_К.

У конденсаторі за умови сталого тиску відбувається охолодження пари до стану її насичення, конденсація та переохолодження рідини. Отже кількість відданого у довкілля тепла перевищує тепло конденсації. Температура конденсації на 5 – 10 ⁰С більша від температури довкілля.

Процес дроселювання рідкого робочого тіла супроводжується зміною агрегатного стану – частина рідини перетворюється у насичену пару, тому з розширювального клапана виходить суміш насиченої пари і рідини (волога пара).

У випарнику волога пара розділяється на рідину і газ: рідина кипить в умовах сталого тиску; пара всмоктується компресором. У випарнику пара підігрівається на 5 – 7 ⁰С вище від температури кипіння.

На рис. 3.19 наведена залежність температури кипіння холодоагента R 12 (фреон -12) від тиску. У компресійних холодильниках використовується також хладон – R 22, R 134, R 404, R 407 та інші, а у абсорбційних – аміак (NH₃).

Побутовий холодильник – один з найбільш енергоспоживальних електроприймачів. Він постійно увімкнений у електромережу і протягом року споживає від 250 до 1400 кВт·год електроенергії, що складає 30 – 70 % від загального електроспоживання у побуті.

Сумарна кількість енергії, яку отримує холодоагент (робоче тіло) у випарнику q₀ і підведеноїдо нього роботи w_KM у компресорі, дорівнює кількості тепла q , переданого від конденсатора у довкілля:

q = q₀ + w_KM ,

де q₀ – питома кількість тепла, отриманого у випарнику, Дж/кг; w_KM – питома кількість енергії, затраченої компресором, Дж/кг; q – питома кількість енергії, переданої у довкілля.

Рис.3.17. Залежність температури кипіння холодоагента R12 від тиску (1 бар= 100 000 Па)	Рис. 3.18. Залежність холодильного коефіцієнта від температури кипіння при температурі конденсації 20 0С