Энергетические затраты производства холода

Наибольшее распространение нашли холодильные и криогенные установки работающие на основе испарительного охлаждения жидкостей. Это так называемые парокомпрессионные холодильные машины. Идеальным циклом таких машин является обратный парожидкостный цикл Карно.

Рис.1.4. T, s-диаграм-ма обратного цикла Карно парожидкостной холодильной машины

Здесь: Т_н – температура подвода теплоты к циклу от теплоотдатчика (охлаждаемой среды) на низшем температурном уровне;

Т_в=Т_о.с – температура отвода теплоты из цикла теплоприемнику (охлаждающей среде), высшая температура цикла;

q_н – теплота подведенная к циклу, иначе – холодопроизводительность цикла. В соответствии с графиком: q_н~пл. 1-4-5-6=Т_н×Ds;

E_q – работа (эксергия) подведенная к циклу, где E_q~пл. 1-3-3-4=(Т_н-Т_о.с)Ds. Так как Т_н<Т_о.с, то значение E_q будет со знаком "минус". Это означает, что энергия подводится;

q_в – теплота отводимая в конденсаторе в окружающую среду (теплоприемнику). В соответствии с диаграммой q_в~пл. 2-3-5-6=Т_в×Ds или q_в= q_в+ E_q .Это равенство называют уравнением теплового баланса холодильной машины.

Связь между затраченной энергией и холодопроизводительностью цикла определяется соотношением:

(1.2)

Где t_е называется коэффициентом работоспособности теплового потока и представляет собой удельный расход энергии на производство единицы холода в идеальной холодильной машине.

Проведем анализ зависимости удельного расхода энергии t_е на производство холода q_н от уровня температуры этого холода Т_н:

при Т_н<Т_о.с t_е<0, т.е. энергия подводится (холодильный цикл Карно);

при Т_н>Т_о.с t_е>0, т.е. энергия отводится (тепловой двигатель);

при Т_н=Т_о.с t_е=0; если Т_н®¥ то t_е®1; если Т_н®0, то t_е ®-¥.

Заметим, что в холодильном цикле величина |t_е| (по модулю) может быть существенно больше 1. В прямом (тепловом) цикле всегда t_е<1.

На рис.1.5 приведено графическое отображение зависимости (1.2).

Рис.1.5. Зависимость удельного расхода энергии t_е от температурного уровня получаемого холода Т_н.

Так как , то видно также, что для получения одного и того же значения холодопроизводительности при снижении температурного уровня Т_н необходимо затрачивать все больше и больше энергии (зависимость гиперболическая).

Отсюда видна недостижимость "абсолютного нуля", так как при Т_н ®0 E_q®-¥, т.е. необходимо затратить бесконечное количество энергии.

Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой холод?

2. Что называют трансформатором теплоты и для каких целей он используется?

3. По каким направлениям технического прогресса используется хладотехника?

4. Какие виды установок входят в состав техники низких температур?

5. Назовите области применения холодильной техники?

6. Назовите основные способы получения искусственного холода?

7. Какой способ получения холода наиболее распространен и почему?

8. Что называют дроссельэффектом и как он используется в технике низких температур?

9. Что представляет собой детандер и где он используется?

10. Какое устройство называют вихревой трубой?

11. В чем заключается термоэлектрический способ получения холода?

12. Что представляет собой коэффициент работоспособности теплового потока?

13. Как меняется энергопотребление производства единицы холода при снижении температурного уровня получаемого холода?

14. Достижим ли "абсолютный ноль" и почему?