2. Основы рабочих процессов установок, работающих по обратным термодинамическим циклам и их классификация.

Искусственное охлаждение с помощью холодильных установок и охлаждающих устройств, основано на втором законе термодинамики, согласно которому передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу возможна только при затрате внешней работы или другой энергии.

В холодильных установках внешняя работа затрачивается на осуществление обратного кругового термодинамического процесса (цикла) обеспечивающего перенос теплоты от охлаждаемого объекта к более теплой окружающей среде или более нагретому телу.

Круговым процессом (циклом) – называется процесс, в котором начальное и конечное состояние рабочего тела остается неизменным.

В обратных циклах, циркулирующее в холодильных машинах, рабочее тело называется холодильным агентом.

Принципиальная схема холодильной машины (рис 1)

Охлаждаемый объект (3) имеет температуру Тохл. более низкую, чем окружающая среда (1) с температурой Токр. Холодильный агент (2) способен изменять свою температуру при изменении давления. Предварительно сжатый холодильный агент расширяется до давления, при котором его температура становится ниже Тохл. В результате естественного самопроизвольного процесса хладагент отбирает от охлаждаемого объекта теплоту в количестве (qo). Затем хладагент сжимается при этом затрачивается внешняя энергия (qвэ). Температура хладагента становится выше температуры окружающей среды. В этом случае окружающая среда отбирает от хладагента теплоту в количестве:

(1)

Непрерывно повторяющиеся процессы (теплообмен, сжатие, теплообмен, расширение), в результате которых переносится теплота от охлаждаемого объекта в окружающую среду называют – обратным или холодильным циклом. При этом хладагент может изменять свое не только тепловое, но и агрегатное состояние.

Рис.1 Принципиальная схема холодильной машины.

По обратным круговым циклам работают:

холодильные машины – предназначенные для производства искусственного холода, то есть отвода теплоты от охлаждаемых объектов и передачи её в окружающую среду.

тепловые насосы – предназначенные для производства теплоты, то есть отвод теплоты от окружающей среды и передача ее к нагреваемым объектам (телам с более высокой температурой). Можно отапливать помещения.

теплофикационные холодильные машины – предназначенные для одновременного производства холода и теплоты. Совмещают функции холодильных машин и тепловых насосов.

Все эти машины аналогичны по принципу действия и устройству и различаются по назначению и режиму температур, в котором они функционируют (рис 2).

Рис.2 Принципиальные схемы осуществления обратных циклов: а) – холодильной машины; б) – теплового насоса; в) – теплофикационной (комбинированной) машины.

Лекция № 2 Обратный цикл Карно. Оценка эффективности работы холодильных установок, тепловых насосов и теплофикационных машин.

Перенос теплоты от охлаждаемого объекта 3 (см. рис 1) в окружающую среду 1 с минимальной затратой внешней энергии осуществляется с помощью обратного (холодильного) цикла Карно.

а) б) в)

Рис.3 а) - Обратный цикл Карно; б) – обратимый; в) – необратимый

Он состоит из четырех процессов изменения состояния рабочего тела: двух изотерм 2-3 и 4-1 и двух адиабат 1-2 и 3-4.

В процессе 4-1 (при постоянной температуре T_охл) от охлаждаемого объекта отнимается теплота q₀ (площадь а-4-1-b). Затем рабочее тело сжимается (линия 1-2) при s = const (без теплообмена с окружающей средой), в результате температура тела повышается от Т_охл до Т_окр. На совершение процесса сжатия затрачивается работа l_сж. В процессе 2-3 (при T_окр = const) теплота q (площадь a-b-2-З) отводится от рабочего тела в окружающую среду. В адиабатном процессе расширения 3-4 рабочее тело совершает полезную работу l_paс, при этом температура тела снижается от T_окр до T_охл.

В результате передачи теплоты от охлаждаемого тела окружающей среде, т. е. при совершении обратного цикла Карно, затрачивается работа l (площадь 4-1-2-3).

Все процессы цикла Карно являются обратимыми.

Обратимым - называется такой идеальный процесс, на выполнение которого в пря­мом и обратном направлении не требуется затрат внешней энергии. Например, в идеальном процессе расширения сжатого газа получае­мая энергия q_pac точно равна энергии q_сж, затрачиваемой на сжатие газа, т. е. на возвращение его в начальное состояние. В этом случае dq = 0, следовательно, и ds =0.

В обратимых изотермических процессах подвода и отвода теплоты разница температур между охлаждаемым и рабочим телом, а также между рабочим телом и охлаждающей средой равна нулю.

Процессы и циклы, осуществляемые в реальных машинах, необратимы. Различают внутреннюю и внешнюю необратимость.

Внутренние потери – обусловленные нарушением равновесия в хладагенте

( трение, дросселирование, неравномерность температуры хладагента по объему, теплообмен со стенками проточной части компрессора и др.)

Внешние потери - связаны с тем, что реальные процессы подвода и отвода теплоты происходят при конечной разности температур между температурами рабочего тела и охлаждаемой и охлаждающей средами (рис. 3б).

При увеличении разности температур необратимость процесса увеличивается, вызывая дополнительный расход энергии l'>l. Любая необратимость процессов характеризуется ростом энтропии системы хладагент – внешние источники теплоты. Рост энтропии означает рассеяние (диссипацию) энергии. Рассеянная энергия не может быть превращена в работу.

Наиболее экономичные процессы осуществляются при бесконечно малой разности температур между источником теплоты и рабочим телом.

Энергетическая эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом ε, который равен:

(2)

- отношению количества отведенной теплоты от охлаждаемого тела к затраченной в цикле работе l.

По первому закону термодинамики энергия, переданная окружающей среде равна:

₍₃₎

_{Энергетическая эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом}

₍₄₎

учитывая, что и _(5),(6)

Получим: ₍₇₎

- холодный коэффициент цикла Карно зависит только от и , и в заданном интервале температур имеет наивысшее значение.

Сравнивая холодильные коэффициенты обратного цикла Карно и реального холодильного цикла в одинаковых температурных границах, можно определить степень его температурного совершенства.

₍₈₎

- коэффициент совершенства холодильного цикла

- холодильный коэффициент рассматриваемого цикла;

- холодильный коэффициент обратного обратимого цикла Карно, построенного в том же интервале температур.

Энергетическая эффективность цикла теплового насоса и теплофикационных циклов определяется отношением количества теплоты q – переданной нагреваемому помещению, к затраченной работе l.

₍₉₎

- коэффициент отопления

Коэффициент отопления с холодильным коэффициентом связан:

₍₁₀₎