Идеальные циклы теплотрансформаторов

ЦИКЛЫ ТЕПЛОТРАНСФОРМАТОРОВ

Теплотрансформаторами называются устройства, в которых теплота передается от холодного тела к горячему (холодильная установка, тепловой насос, комбинированная установка для выработки искусственного холода и тепла). Такой процесс передачи теплоты не может происходить самопроизвольно, он требует затраты энергии любого вида: электрической, механической, энергии потока газа или пара и т. д.

Циклы теплотрансформаторов – обратные (против часовой стрелки) в отличие от циклов тепловых двигателей.

Идеальным циклом теплотрансформатора является обратный цикл Карно, изображенный на рис. 10.1.

Здесь 1-2-3-4 – идеальный цикл холодильной установки, вырабатывающей искусственный холод; T _oc – температура окружающей среды; T _x – температура охлаждаемого тела; T _T – температура нагреваемого тела

Рабочее тело холодильных установок называется холодильным агентом. Впроцессах 1-2 и 3-4 хладоагент сжимается и расширяется по адиабате, в процессе 4-1 воспринимает тепло (q _x) от охлаждаемого тела, в процессе 2-3 отдает тепло (q ₀) в окружающую среду.

Теплота, отводимая от охлаждаемого тела и переданная хладоагенту
(q _x, кДж/кг) называется удельной холодопроизводительностью (заштрихованная площадь, рис. 10.1).

Полная холодопроизводительность

,

где G – расход хладоагента, кг/с.

Затрачиваемая работа (l) представляется в диаграмме площадью цикла
1-2-3-4:

.

Затрачиваемая мощность N = l • G, кВт.

Эффективность цикла холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом

(10.1)

Для обратного цикла Карно 1-2-3-4 можно записать

.

(10.2)

Холодильный коэффициент изменяется в пределах от 0 до µ (0<e<µ) и зависит от температур T _x и T _оc. С уменьшением температуры вырабатываемого холода (T _x), с увеличением температуры окружающей среды (T _оc) холодильный коэффициент уменьшается.

Идеальный цикл теплового насоса изображен на рис. 10.1 в виде прямоугольника с вершинами 1¢-2¢-3¢-4¢. Тепловые насосы используются для отопления помещений, для нагрева различных веществ (например, воды) за счет тепла окружающей среды или других низкопотенциальных источников.

Теплота, передаваемая от рабочего тела в окружающую среду или нагреваемому телу (q _T, кДж/кг), называется удельной тепловой производительностью теплового насоса.

Полная теплопроизводительность равна

, кВт.

Затрачиваемая работа

представляется площадью цикла 1¢-2¢-3¢-4¢ в T-s- диаграмме.

Затрачиваемая мощность N = lG, кВт.

Эффективность цикла теплового насоса характеризуется коэффициентом отопления, вычисляемым по формуле

.

(10.3)

Для обратного цикла Карно 1¢-2¢-3¢-4¢

.

(10.4)

Согласно (10.4) коэффициент отопления всегда больше 1 (m >1), он зависит от температур вырабатываемого тепла (T _T) и окружающей среды (T _оc). С увеличением (T _T) либо падением температуры (T _оc) коэффициент отопления (m) уменьшается.

Идеальный цикл комбинированной установки, предназначенной для выработки искусственного холода и тепла, изображен на рис. 10.1 в виде прямоугольника с вершинами 1¢¢2¢¢3^¢¢4^¢¢. Эффективность цикла такой установки характеризуется

.

(10.5)

Для обратного цикла Карно

.

(10.6)

Согласно (10.6), коэффициент трансформации K _K>1 зависит от температур T _x и T _T и уменьшается с увеличением T _Т или снижением T _х.

Таким образом, коэффициенты e, m, K зависят от температур вырабатываемого холода или тепла и не годятся для сравнения по эффективности теплотрансформаторов, работающих в разных температурных интервалах. От этого недостатка свободен эксергетический КПД

,

который не зависит от температур горячего и холодного источников и является показателем термодинамического совершенства, т. к. характеризует степень необратимости реальных процессов, протекающих в теплотрансформаторах.

В частности, для теплового насоса с электроприводом можно записать:

	(10.7)

где m – отопительный коэффициент теплового насоса (учитывает все потери), m _k – отопительный коэффициент цикла Карно для данного интервала температур (T _T – T _oc).

Аналогичные формулы могут быть получены для холодильной установки и для комбинированной установки:

,	(10.8)
.	(10.9)

Эксергетический КПД изменяется в пределах от 0 до 1 (0<£1).

Для идеального теплотрансформатора с циклом Карно .

По виду рабочего цикла теплотрансформаторы делятся на 2 основные группы: газовые и паровые.

Дата добавления: 2014-01-13