1.1.6. Приближение цикла к внешним температурным условиям

В предыдущих частях главы анализ велся для случая, когда подвод и отвод теплоты проходят при постоянных температурах. Однако на практике поддерживать постоянную температуру при подводе и отводе теплоты, предусмотренную в цикле Карно, во многих случаях практически невозможно: при конечных количествах массы, протекающей в теплообменниках в качестве источника или приемника теплоты и от­дающей или отнимающей теплоту у рабочего вещества, происходит постоянное изменение температуры.

Для выполнения условий внешней обратимости тем­пература рабочего тела в цикле ТНУ должна при этом изменяться так же, как меняется температура источников, т. е. таким образом, чтобы в каж­дой точке процесса соблюдалось термическое равновесие между рабочим телом и источником тепла [21].

Для этого случая цикл Карно уже нельзя рассматри­вать в качестве образца. Условию равенства нулю прира­щения суммарной энтропии системы будет отвечать, как и всегда, обратимый цикл; наиболее близок к нему в данном случае обратный цикл Лоренца, составленный из двух политроп и двух адиабат (рис. 1 – 12); круговой же процесс Карно при изменяющихся температурах источни­ков, приведет к увеличению потребления энергии, необходимой для работы ТНУ (показана на рис. 1 – 13 двойной штриховкой).

Это позволяет сделать вывод о том, что изотермические участки, характерные для цикла Карно, в целях повышения экономичности ТНУ должны быть заменены политропами, при которых температура рабочего тела в точно­сти следует изменениям температуры источников тепла. Любое отступление от обратимого цикла 1 – 2 – 3 – 4 – 1 (рис. 1 – 12) будет являться источником потерь, связанных с внешней необратимостью; оно приведет к росту энтропии системы и, следовательно, вызовет необходимость затрачивать дополнительную работу.

Таким образом, наиболее эффективным циклом при неизотермическом подводе и отводе теплоты является цикл Лоренца, наиболее приближенный к обратимому циклу ТНУ при неизотермическом подводе и отводе теплоты. Однако на практике применение цикла Лоренца для наиболее распространенного типа ТНУ – парокомпрессионных невозможно в силу близости их термодинамического цикла к циклу Карно.

Рис. 1 – 12. Применение обратного цикла Лоренца при неизотермическом подводе и отводе теплоты	Рис. 1 – 13. Применение обратного цикла Карно при неизотермическом подводе и отводе теплоты

Стремление приблизиться к обратимым процессам приводит к конструктивному усложнению конструкции ТНУ, а следовательно, к ее удорожанию. Способами приближения термодинамического цикла к циклу Лоренца, получившими наибольшее распространение, являются:

• применение многоступенчатых ТНУ с параллельным соединением;

• применение ТНУ с многоступенчатыми компрессорами;

• применение в ТНУ в качестве рабочего тела неазеотропных рабочих агентов.

Задача правильного проектирования тепло­энергетических установок и в том числе тепловых насосов заключается главным образом в целесообразном выборе тех компромиссных решений, которые позволят, не отступая значительно от обратимого протекания процессов, получить сравнительно негромоздкую конструкцию. Ясно, что вопрос этот окончательно может быть решен уже только технико-экономическим расчетом.