Холодопроизводительность: разбираемся с терминологией и методикой расчета

Недавно я начал обращать внимание на подачу информации о холодильной технике. Очень важно получать именно структурированную и достоверную информацию о работе оборудования, а также о расчетах и подборе.

Сегодня мы разберем статью, размещенную в одной популярной группе, посвященной холодильному оборудованию. Постараюсь сильно не придираться к терминологии, однако замечания давать буду (выделены жирным). 

Холодопроизводительность установки охлаждения жидкостей — это та тепловая мощность, которую установка способна отбирать от жидкости.

Холодопроизводительность оборудования часто путают с полезной мощностью. Бывает такое, что даже опытные на вид энергетики, увидев, что холодопроизводительность установки в три раза превышает потребляемую мощность, удивляются, что КПД в этом случае достигает 300%(!). – тут явная путаница – холодильные установки работают по обратному циклу, двигатели по прямому. Соответственно, в первом случае основной задачей является охлаждение с затратами работы, во втором – получение работы.

На самом деле о КПД можно говорить только в том случае, где существует процесс преобразования энергии. – закон преобразовании энергии лежит в основе работы любых тепловых машин. — Термин КПД применим и к холодильным машинам, еще одно название – степень термодинамического совершенства. Фактически, КПД — это отношение реальной величины (мощность, работа и тд) к максимально возможной. Для холодильной машины КПД является отношением реального холодильного коэффициента (отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности) к холодильному коэффициенту обратного цикла Карно при тех же условиях или отношение работы, затраченной в обратном цикле Карно к реальной затраченной работе.

Например, в электродвигателе электрическая энергия преобразуется в механическую, при этом имеются потери на нагрев и трение. И КПД двигателя как раз показывает, сколько энергии потеряно.

В случае с холодильником, процесса преобразования нет, а есть отбор тепла (энергии) от охлаждаемой среды. — как это нет? Помимо отбора теплоты от охлаждаемого объекта, есть процесс передачи теплоты в окружающую среду, которая складывается из холодопроизводительности и потребляемой мощности, где и осуществляется преобразование энергии, о котором идет речь выше.

Холодопроизводительность любой холодильной установки охлаждения жидкости сильно зависит от температуры, до которой необходимо охлаждать жидкость. Чем выше конечная температура жидкости, тем выше холодопроизводительность. Это связано с тем, что хладагент способен отобрать больше тепла у жидкости, при более высокой температуре кипения. — опять смешение понятий. Действительно, чем выше температура кипения, тем выше холодопроизводительность компрессора. Чем выше конечная температура среды, тем меньше холодопроизводительности требуется (см. формулы ниже)

Определить требуемую холодопроизводительность можно в соответствии с исходными данными по формулам (1) или (2).

Исходные данные:

1. объемный расход охлаждаемой жидкости G (м3/час);

2. требуемая (конечная) температура охлажденной жидкости Тk (°С);

3. температура входящей жидкости Тн(°С).

Формула расчета требуемой холодопроизводительности установки для охлаждения воды:

(1) Q (кВт) = G x (Тн – Тk) x 1,163

Формула расчета требуемой холодопроизводительности установки для охлаждения любой жидкости:

(2) Q (кВт) = G x (Тнж– Тkж) x Cpж x rж / 3600

Cpж – удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости, кДж/(кг °С) (таблица),

rж – плотность охлаждаемой жидкости, кг/м3(таблица).

Строго говоря, формулы (1) и (2) одинаковы, коэффициент 1,163 получен исходя из теплоемкости, плотности и количества секунд в часе.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость вещества показывает количество энергии, которую необходимо сообщить/отобрать, для того, чтобы увеличить/уменьшить температуру одного килограмма вещества на один градус Кельвина. – «количества теплоты», а градуса Кельвина вообще не существует! Есть единица температуры 1 Кельвин!

То есть в других словах, если например удельная теплоемкость воды равняется 4,2 кДж/(кг*К) - это значит, что для того, чтобы нагреть один кг воды на один градус, необходимо передать этому кг воды 4,2 кДж энергии.

Удельная теплоемкость для любого вещества есть величина переменная, то есть она зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Если продолжать пример с водой, то ее удельная теплоемкость для 0°С равняется 4,218, а при 40°С 4,178 кДж/(кг*К). Для льда теплоемкость еще ниже — 2,11 кДж/(кг*К) для льда с температурой 0°С. – В расчетах мы используем изобарное (при постоянном давлении) значение теплоемкости.

Что касается воды, необходимо отметить, что это жидкость с самым высоким значением удельной теплоемкости. Другими словами, чтобы обеспечить заданное количество температуры, вода должна поглотить или отдать количество тепла значительно больше, чем любое другое тело такой же массы. – глаз режет – «количество температуры».

В связи с этим становится понятным интерес к воде, когда нужно обеспечить искусственный теплообмен. Количество тепла, необходимое для повышения температуры с Тн до Тk тела массой m можно рассчитать по следующей формуле:

Q = C x (Тн – Тk) x m, кДж

где m - масса тела, кг; С - удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)

Вообще не понятно – мы говорим про охлаждение, появляется повышение температуры, зачем нужна эта формула тоже не понятно.

Этот рисунок также может вызвать смущение, поскольку речь идет о холодопроизводительности компрессора (рисунок верный)

Подведем итог: статья содержит полезную информацию, но подача оставляет желать лучшего. Явное несоответствие заголовка статьи содержанию – в статье идет речь о разных, хотя и близких, понятиях. Нужно разделять расчет требуемой холодопроизводительности и расчет холодопроизводительности установки. Первое является заданием для второго.

Для расчетов холодопроизводительности существует много полезных изданий:

• Курылев Е.С., Герасимов Н.А. Холодильные установки

• Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур» / Под общ. ред. Л.С. Тимофеевского. − СПб.: Политехника, 2006. − 944 с.: ил.

• Семенов Ю. В. Искусство хладотехники.

На последнюю книгу я планирую написать подробную рецензию, поскольку редко появляются современные книги по расчету холодильного оборудования.

кандидат технических наук,
академик Международной Академии Холода,
эксперт в области систем холодоснабжения
talyzin_maxim@mail.ru