Конспект урока: Холодильные машины. Экологические проблемы использования тепловых машин

Общая схема работы холодильной машины

Вам уже известно, что при испарении уменьшается внутренняя энергия испаряющегося вещества, из-за чего вещество охлаждается. Именно на этом явлении основан механизм работы холодильных машин.
 

Для работы любого холодильника необходимо легкоиспаряющееся рабочее вещество — хладагент. Для этих целей используются аммиак и фреон. 

Оба вещества имеют низку температуру кипения и большую удельную теплоту парообразования: у фреона температура кипения t_кип = −30 °С, удельная теплота парообразования L = 170 кДж/кг; у аммиака t_кип = −33 °С, L = 1 400 кДж/кг.
 

Аммиак обычно используется в промышленных холодильниках, так как он представляет собой ядовитый газ и его нельзя использовать для производства домашних холодильников.

В бытовых холодильниках применяется фреон — газ на основе этана, фтора и хлора.

Рис. 1 Схема работы холодильника

На рисунке 1 приведена упрощённая схема бытового холодильника.

 

Главный элемент холодильной машины — это компрессор, в котором происходит сжатие фреона при пониженном давлении. Вспомним, что температура кипения вещества зависит от внешнего давления: чем ниже давление, тем ниже температура кипения.

При сжатии в конденсаторе фреон разогревается до температуры порядка 100 °С. Сжатый фреон, находящийся в газообразном состоянии, поступает в конденсатор (радиатор), который находится на задней стенке холодильника. 

Так как окружающий воздух имеет более низкую температуру, между радиатором и воздухом начинается теплообмен: фреон охлаждается, выделяя тепло в окружающую среду, которое можно почувствовать, находясь рядом с холодильником.
 

В результате охлаждения фреон конденсируется и, находясь в жидком состоянии через капиллярную трубку поступает в испаритель.
 

Конденсатор поддерживает в испарителе пониженное давление, что способствует закипанию хладагента. В результате активного парообразования температура фреона резко падает. Так как температура холодильной камеры больше температуры хладагента, последний забирает тепло Q₁ у содержимого камеры, в результате чего она охлаждается. 

Когда весь фреон переходит в газообразное состояние, он возвращается в конденсатор, цикл начинается заново.

Холодильный коэффициент

Для оценки эффективности холодильной машины применяется холодильный коэффициент k_х:

$k_{x} = \frac{Q_{1}}{A}$,

где Q₁ [Дж] — тепло, полученное хладагентом за цикл;
A [Дж] — работа, совершённая над хладагентом за цикл.

Чтобы работа холодильника была циклична, внутренняя энергия рабочего вещества в начале и в конце цикла должна оставаться неизменной. Это значит, насколько внутренняя энергия хладагента увеличивается в процессе получения тепла Q₁ и совершения работы А над ним, настолько же она должна уменьшиться при отдаче тепла Q₂ окружающей среде:

$Q_{2} = Q_{1} + A$.

Выразив А из этой формулы и подставив в формулу выше, получим ещё одно выражение для нахождения холодильного коэффициента:

$k_{x} = \frac{Q_{1}}{Q_{2} - Q_{1}}$.

Итоги

• Работа холодильной машины основана на явлении охлаждения вещества при его испарении.
• Основные элементы холодиной машины: компрессор, конденсатор, испаритель, капиллярная трубка.
• Холодильным коэффициентом k_х называется отношение количества теплоты Q₁, отданное охлаждаемым телом хладагенту за цикл, к работе А, которую совершают над рабочим веществом за цикл: $k_{x} = \frac{Q_{1}}{A} = \frac{Q_{1}}{Q_{2} - Q_{1}}$.