Круговые процессы или циклы

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Впервые искусственным путем была получена низкая температура (-40°С) в 1759 г. Ломоносовым, который использовал для этого смесь водного льда с азотной кислотой. Однако холодильные машины появились намного позже.

Первая холодильная машина, парокомпрессионная на этиловом эфире, была создана в 1834 г. в Англии Джекобом Перкинсом. Через 40 лет в Германии Карл Линде сконструировал первую аммиачную холодильную машину, ставшую прообразом современных машин.

Холодильные машины, работающие в области умеренного холода, в зависимости от вида используемой энергии делят на три основные группы: парокомпрессионные (использующие механическую энергию), абсорбционные и пароэжекторные (теплоиспользующие), термоэлектрические (использующие непосредственно электрическую энергию).

Процессы, происходящие в холодильных машинах, объясняет термодинамика, являющаяся теоретической базой, как теплотехники, так и холодильной техники.

Первый закон термодинамики как частный случай закона сохра­нения и превращения энергии говорит о возможности превращения теплоты в механическую работу и наоборот в определенных количественных соотношениях.

Отношение теплоты к работе всегда постоянно. Его можно обозначить через константу А:

Константу А называют тепловым эквивалентом работы.

В системе единиц СИ механическую работу и теплоту измеряют в Джоулях (Дж), поэтому в этой системе А=1. Следовательно, Q=L.

Соотношения между единицами измерения энергии приведены в таблице.

Единица измерения энергии	Эквивалентные единицы
кДж	ккал	кВт×ч	кГс×м
1 кДж		0,239	0,00278	102,0
1 ккал	4,19		0,00116
1 кВт×ч
1 кГс×м	0,00981	0,00234	2,72×10^-6

В основе действия парокомпрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машин лежит второй закон термодинамики (или второе начало), который применительно к холодильным машинам гласит:

для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.

На рис. 1 показаны принципиальные схемы действия теплового двигателя (а) и холодильной машины (б).

Рис.1. Принципиальная схема действия теплового двигателя (а) и холодильной машины (б)

В тепловом двигателе происходит прямой круговой процесс или цикл - последовательное изменение состояния рабочего вещества и возвращение его в исходное состояние.

В прямом цикле при подводе теплоты Q от источника с высокой температурой Т₂ совершается работа L. При этом часть теплоты — Q₀ переходит к источнику с низкой температурой Т₁.

Энергетическую эффективность теплового двигателя оценивают термическим КПД, показывающим, какая часть тепловой энергии Q превратилась в работу L:

h_Т=L/Q.

Термический КПД всегда меньше 1.

В холодильной машине происходит обратный к р у г о в о й процесс или цикл При совершении работы L теплота Q₀, с по мощью рабочего вещества передается от источника с низкой температурой Т₁ к источнику с более высоком температурой Т₂.

Таким образом, для цикла холодильной машины можно дать следующее определение:

обратным круговым процессом или циклом холодильной машины называется замкнутый процесс последовательного изменения состояния циркулирующего в ней рабочего вещества за счет затраты энергии, при этом осуществляется перенос теплоты Q₀ от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде – воздуху или воде.

Цикл холодильной машины показан на рис. 2, а.

Рис. 2. Циклы холодильной машины (а), теплового насоса (б) и комбинированный цикл (в)

Энергетическую эффективность холодильной машины оценивают холодильным коэффициентом, представляющим отношение теплоты Q₀ к работе L, которую нужно затратить, чтобы отвести ее от источника с низкой температурой:

e=Q₀/L.

Холодильный коэффициент может быть в несколько раз больше 1. Он зависит от разности температур Т₂-Т₁. С ее увеличением он уменьшается.

Машину, в которой происходит также обратный цикл, но теплота Q₀ переносится от окружающей среды с температурой Т₂ к нагреваемой среде (с ограниченными размерами), имеющей температуру Т₃, называют тепловым насосом.

Таким образом, тепловой насос предназначен для поддержания более высокой температуры Т₃ по сравнению с температурой окружающей среды Т₂.

Цикл теплового насоса показан на рис. 2, б.

Энергетическую эффективность теплового насоса оценивают коэффициентом преобразования (его называют также отопительным коэффициентом или коэффициентом трансформации теплоты):

m=Q₁/L.

Так как теплота, подведенная к нагреваемой среде, Q₁=Q₀+L, а Q₀/L=e, то m=e+1.

Следовательно, энергетическая эффективность теплового насоса выше, чем энергетическая эффективность холодильной машины.

В прямом и обратном циклах Q=Q₀+L/

Возможен также комбинированный цикл (рис. 2, в). В этом случае теплота Q₀, отводимая от охлаждаемой среды с температурой Т₁, передается нагреваемой среде с температурой Т₃. Осуществляя такой цикл, одновременно получают холод Q₀ и теплоту Q₁.

Очевидно, что энергетическая эффективность комбинированного цикла выше, чем раздельного охлаждения и нагрева.

В реальных условиях одновременное получение холода и теплоты с помощью одной и той же машины, при взаимосвязанных величинах Q₀ и Q₁, не всегда целесообразно.

Дата добавления: 2014-01-04