4. Термодинамические основы обратных циклов

4.1. Классификация обратных циклов

Классификация обратных циклов. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты от ИНТ к ИВТ возможен при условии подвода энергии извне. Согласно первому закону термодинамики количество теплоты Q, отдаваемой ИВТ, равно сумме количества теплоты Q_o, отведенной от ИНТ, и теплового эквивалента энергии L, подведенной извне, т. е.

Q = Q₀ + L

или для 1 кг рабочего вещества

q = q_Q+ L

Перенос теплоты от ИНТ к ИВТ осуществляется с помощью рабочего вещества (холодильного агента). Термодинамические и физические свойства рабочего вещества оказывают значительное влияние на показатели обратных циклов. Рабочее вещество совершает обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три разновидности обратных циклов: холодильный цикл, цикл теплового насоса, а также комбинированный (или) теплофикационный цикл.

Холодильная машина работает по холодильному циклу и служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде. Такой цикл показан на рис. 4.1. В процессе 4-1 (цикл 2) теплота q₀ подводится к рабочему веществу от источника низкой температуры, в процессе 1-2 рабочее вещество сжимается и к нему подводится тепловой эквивалент работы компрессора 1_К. В процессе 2-3 от рабочего вещества отводится в окружающую среду теплота q, в процессе 3-4 расширяется рабочее вещество с совершением работы I . Согласно первому закону термодинамики работа, необходимая для совершения цикла,

Так как в компрессоре работа затрачивается, а при расширении ее можно получить, тогда работа цикла

Рис.4.1 Обратные циклы

1 – холодильный, 2- теплового насоса, 3 - комбинированный

Для определения энергетической эффективности холодильного цикла вводиться холодильный коэффициент , который определяет количество отводимой от источника теплоты на единицу затраченной в цикле работы:

Холодильный коэффициент может меняться от + до 0.

В том случае, когда с помощью холодильной машины теплота отводится от окружающей среды и передается источнику высокой температуры, этот цикл называется циклом теплового насоса. Такая холодильная машина служит для целей теплоснабжения или динамического отопления. Цикл теплового насоса показан на рис. 4.1 (цикл II). В процессе 4-1 к рабочему веществу подводится от окружающей среды теплота . В процессе 1—2 рабочее вещество воспринимает тепловой эквивалент работы , вследствие чего его температура повышается. Теплота , полученная от окружающей среды, и тепловой эквивалент работы передаются в процессе 2—3 источнику высокой температуры. Эта теплота служит для отопления помещений или других технологических нужд. В процессе 3-4 рабочее вещество расширяется, совершая работу . Энергетическая эффективность цикла теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом , который определяется количеством теплоты, подводимой к источнику высокой температуры, на единицу затраченной в цикле работы:

Между холодильным и отопительным коэффициентами существует связь

Отопительный коэффициент меняется от +1 до + .

Комбинированный (теплофикационный) цикл — это цикл холодильной машины, при котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры. Такой цикл показан на рис. 4.1 (цикл III). В этом цикле в процессе 1-4 теплота подводится к рабочему веществу, в процессе 1-2 рабочее вещество получает тепловой эквивалент работы ; в процессе 2-3 теплота q отводится к источнику высокой температуры, далее в процессе 3—4 рабочее вещество расширяется, совершая при этом работу .

Так как при помощи холодильной машины, работающей по комбинированному циклу, получают одновременно холод и теплоту, то энергетическая эффективность такого цикла характеризуется двумя коэффициентами и :

где и — соответственно работа циклов 1—b-а—4 и b-2-З-а.