Термодинамические процессы и обратный цикл

Для непрерывного охлаждения требуется, по меньшей мере, три тела: охлаждаемое; приемник теплоты и тело, переносящее теплоту от первого ко второму, называемое рабочим телом или хладагентом. Следовательно, хладагент, претерпевая ряд изменений, должен быть возвращен в первоначальное состояние и непрерывно совершать такой круговой процесс или цикл.

На одном участке кругового процесса хладагент, в результате теплообмена, получает теплоту от охлаждаемого тела. Эта теплота должна быть передана приемнику теплоты, т.е. окружающей среде (воздух, вода). Температура окружающей среды выше, чем хладагента, следовательно, самопроизвольно такой переход теплоты невозможен. Поэтому на этом участке кругового процесса к холодильному агенту подводится энергия в виде работы или теплоты, для повышения его температуры на столько, чтобы хладагент мог передать полученную в предшествующих процессах теплоту окружающей среде. После повышения температуры, на следующем участке кругового процесса происходит теплообмен между хладагентом и окружающей средой. На последующем участке кругового процесса хладагент возвращается в исходное состояние.

Различают прямой цикл (цикл тепловой машины), в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу и обратный цикл (процесс), в котором затрачивается работа (или теплота) для передачи теплоты к более нагретому телу.

Различают три вида обратного цикла:

а) холодильный 1-2-3-4, в котором теплота переносится от охлаждаемого тела с температурой T₁ к окружающей среде T₂;

б) теплового насоса 5-6-7-8, в котором теплота переносится от окружающей среды к телу с более высокой температурой T₃;

в) комбинированный 9-10-11-12, т.е. состоящий из первых двух вместе взятых.

Если процессы, образующие обратный цикл, будут обратимы, т.е. при их осуществлении не будет остаточных изменений у взаимодействующих тел (веществ), то и обратный цикл будет обратимым. Обратимый цикл требует минимальной затраты работы для его осуществления.

При постоянной температуре охлаждаемого тела и окружающей среды из условия обратимости следует, что хладагент должен получать теплоту от охлаждаемого тела и передавать ее окружающей среде тоже при постоянных температурах, но отличающихся на бесконечно малую величину, т.к. разность температур необходима для осуществления теплообмена.

Аналогичен и обмен работой между холодильным агентом и окружающей средой, должен происходить при бесконечно малой разности давлений.

Следовательно, при указанных условиях обратимый холодильный цикл, должен состоять из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Такой цикл называется циклом Карно. Обратимый холодильный цикл показан (рис. а) в диаграмме T-s. В изотермическом процессе 4-1 каждый кг, циркулирующего хладагента, получает от охлаждаемого тела теплоту , называемую удельной массовой холодопроизводительностью хладагента, которая выражается на диаграмме площадью а-4-1-b и равенством:

.

В адиабатическом процессе 1-2 при затрате работы хладагент сжимается, и в результате, его температура повышается от до . Далее в изотермическом процессе 2-3 каждый кг циркулирующего хладагента отдает окружающей среде теплоту , измеряемую площадью а-3-2-b и равенством:

.

В заключительном адиабатическом процессе 3-4, хладагент расширяется с получением работы и в результате температура хладагента понижается от до .

Работа цикла будет равна разности работ, затраченной на сжатие хладагента и полученной при его расширении :

.

Работа цикла превращается в теплоту, которая подводится к хладагенту. В соответствии с первым законом термодинамики, сумма энергии, подведенной к хладагенту, должна быть равна сумме энергии, отведенной от него:

, (1)

Из уравнения (1) следует, что:

.

В T-s диаграмме работа цикла выражается площадью 1-2-3-4.

Эффективность осуществления холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом, который равен отношению теплоты, полученной хладагентом от охлаждаемого тела, к работе цикла:

; или .

Из этого уравнения следует, что эффективность цикла Карно зависит от температур тел, между которыми осуществляется цикл.

При температуре окружающей среды , затрата работы на единицу отведенной теплоты будет тем больше, чем ниже температура . Таким образом, охлаждение объектов с температурой ниже - экономически нецелесообразно.

Холодильный коэффициент изменяется от 0 до .

Совокупность технических устройств, необходимых для осуществления холодильного цикла, называют холодильной машиной.

Обратимый цикл теплового насоса может быть представлен также циклом Карно 5-6-7-8. Теплота , полученная 1кг хладагента от окружающей среды, соответствует площади с-8-5-d, а теплота , отдаваемая телу (веществу) с высокой температурой, выражается площадью с-7-6-d. Работа цикла соответствует площади 5-6-7-8. Эффективность цикла теплового насоса выражается коэффициентом преобразования теплоты, равным отношению полученной теплоты к затраченной работе:

;

Коэффициент преобразования теплоты всегда больше единицы, это свидетельствует о том, что с энергетической точки зрения, для отопления целесообразно применять цикл теплового насоса, чем электрический нагреватель, т.к. при температуре тепловой насос позволяет получить от каждого Дж электроэнергии в раз больше теплоты. Машина, осуществляющая такой цикл, называется тепловым насосом.

В обратимом комбинированном цикле Карно 9-10-11-12, теплота, отведенная 1кг хладагента от охлаждаемого тела, соответствует площади е-12-9-f, теплота, подведенная к источнику высокой температуры, выражается площадью е-11-10-f. Работа цикла соответствует площади 9-10-11-12. Комбинированный цикл можно представить состоящим из двух циклов: холодильного и цикла теплового насоса. Но его можно осуществить одно машиной, что целесообразней, чем двумя.

Анализ рассмотренных круговых циклов Карно показывает, что они включают следующие термодинамические процессы:

1. 4-1, 8-5, 12-9 - кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе, при этом теплота отводится от охлаждаемой среды (циклы A и B) или от окружающей среды – цикл Б;

2. 1-2, 5-6, 9-10 – сжатие паров хладагента в компрессоре;

3. 2-3, 6-7, 10-11 – конденсация паров хладагента;

4. 3-4, 7-8, 11-12 – дросселирование хладагента.

Таким образом, холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента – компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.