Холодильная машина: принцип работы, схема и КПД

Холодильная машина — устройство, которое переносит тепло от холодного тела к тёплому и тратит на это энергию: работу компрессора, тепло или пар. Холодильник, кондиционер и чиллер — холодильные машины, чиллер охлаждает воду. Эффективность холодильной машины оценивают не КПД, а холодильным коэффициентом — отношением отведённого тепла к затраченной работе, и он обычно больше единицы.

Принцип работы и схема

Холодильная машина — тепловая машина наоборот. Тепловая машина берёт тепло у горячего тела, часть превращает в работу, остальное отдаёт холодному. Холодильная затрачивает работу L, забирает тепло Q₀ у холодного тела и отдаёт горячему всё вместе:

Q_к = Q₀ + L

Q₀ — тепло, отведённое от охлаждаемого тела (холодопроизводительность), кВт; L — затраченная работа, кВт; Q_к — тепло, отданное окружающей среде, кВт.

В парокомпрессионной машине — а таких большинство — тепло переносит хладагент. В испарителе он кипит при низком давлении и забирает тепло у воды или воздуха. Компрессор сжимает пар, и в конденсаторе хладагент при высоком давлении превращается в жидкость и отдаёт тепло наружу. Терморегулирующий вентиль (ТРВ) снижает давление жидкости, и цикл повторяется; как он дозирует хладагент, разобрано в справочнике о ТРВ. Как эти узлы устроены в чиллере, описано в справочнике «Что такое чиллер».

Холодильный коэффициент вместо КПД

КПД показывает, какая доля затраченной энергии стала полезной, и не может быть больше единицы. Холодильная машина энергию не превращает, а переносит тепло, поэтому её оценивают холодильным коэффициентом:

ε = Q₀ / L

ε — холодильный коэффициент; в каталогах чиллеров его называют EER. У чиллера с воздушным конденсатором он около 3: на 1 кВт работы компрессора приходится около 3 кВт отведённого тепла, и закон сохранения энергии не нарушается — это тепло не создаётся, а переносится. Если то же тепло конденсатора используют для отопления, машину называют тепловым насосом, и её коэффициент на единицу больше, как разобрано в справочнике о тепловом насосе.

Цикл Карно: предел для любой машины

Наибольший холодильный коэффициент при данных температурах даёт идеальный обратный цикл Карно:

ε_К = T₀ / (T_к − T₀)

T₀ — абсолютная температура кипения хладагента, К; T_к — абсолютная температура конденсации, К; к температуре в °C прибавляют 273,15.

1. Чиллер даёт воду 7 °C при наружном воздухе 35 °C: хладагент кипит при 2 °C и конденсируется при 50 °C. Предел: ε_К = 275,15 / (323,15 − 275,15) = 275,15 / 48 = 5,73.
2. Реальный цикл с потерями в компрессоре даёт около 2,8 — примерно половину предела, как в таблице справочника о потреблении электроэнергии.
3. Чиллеру на 100 кВт нужно L = 100 / 2,8 = 35,7 кВт работы, а конденсатор отдаёт Q_к = 100 + 35,7 = 135,7 кВт.

Формула объясняет главные закономерности: чем меньше разница между кипением и конденсацией, тем выше коэффициент. Поэтому в жару и при более холодной воде машина тратит больше энергии на каждый киловатт холода. При кипении −30 °C и той же конденсации предел падает до 243,15 / 80 = 3,04 — низкотемпературные машины, о которых справочник о низкотемпературном чиллере, всегда менее экономичны.

Какие бывают холодильные машины

Абсорбционная машина вместо компрессора использует раствор, который поглощает пар хладагента, а затем выпаривается теплом; подробнее — в справочнике об абсорбционном чиллере. Для очень низких температур делают каскадные машины: два контура на разных хладагентах, где испаритель верхнего охлаждает конденсатор нижнего.

Что из этого следует для подбора

• Холодопроизводительность и потребляемая мощность — разные цифры, их связывает холодильный коэффициент; сравнивают их в одних единицах и при одинаковых условиях, как описано в справочнике о холодопроизводительности.
• Воду не задают холоднее, чем нужно: каждый градус вниз опускает кипение хладагента и коэффициент.
• Конденсатор рассчитывают на Q₀ + L, а не на холодопроизводительность — про исполнения конденсатора рассказывает справочник о воздушном и водяном охлаждении конденсатора.
• Нагрузку считают по процессу — по оборудованию или в расчёте мощности по расходу и температурам.