Идеальные циклы теплотрансформаторов

Идеальным циклом теплотрансформатора является обратный цикл Карно, изображенный на рис. 10.1.

Здесь 1-2-3-4 - идеальный цикл холодильной установки, вырабатывающей искусственный холод; T_oc - температура окружающей среды; T_x - температура охлаждаемого тела; T_T -температура нагреваемого тела

Рабочее тело холодильных установок называется холодильным агентом. Впроцессах 1-2 и 3-4 хладоагент сжимается и расширяется по адиабате, в процессе 4-1 воспринимает тепло (q_x) от охлаждаемого тела, в процессе 2-3 отдает тепло (q₀) в окружающую среду.

Теплота, отводимая от охлаждаемого тела и переданная хладоагенту
(q_x, кДж/кг) называется удельной холодопроизводительностью (заштрихованная площадь, рис. 10.1).

Полная холодопроизводительность

,

где G, кг/с - расход хладоагента.

Затрачиваемая работа (l) представляется в диаграмме площадью цикла
1-2-3-4

.

Затрачиваемая мощность N = l^.G, кВт.

Эффективность цикла холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом

(10.1)

Для обратного цикла Карно 1-2-3-4 можно записать:

.

(10.2)

Холодильный коэффициент изменяется в пределах от 0 до µ (0<e<µ) и зависит от температур T_x и T_оc. С уменьшением температуры вырабатываемого холода (T_x), с увеличением температуры окружающей среды (T_оc) холодильный коэффициент уменьшается.

Идеальный цикл теплового насоса изображен на рис. 10.1 в виде прямоугольника с вершинами 1¢-2¢-3¢-4¢. Тепловые насосы используются для отопления помещений, для нагрева различных веществ (например, воды) за счет тепла окружающей среды или других низкопотенциальных источников.

Теплота, передаваемая от рабочего тела в окружающую среду или нагреваемому телу (q_T, кДж/кг), называется удельной тепловой производительностью теплового насоса.

Полная теплопроизводительность равна

, кВт.

Затрачиваемая работа

представляется площадью цикла 1¢-2¢-3¢-4¢ в T-s- диаграмме.

Затрачиваемая мощность N = lG, кВт.

Эффективность цикла теплового насоса характеризуется коэффициентом отопления, вычисляемого по формуле

.

(10.3)

Для обратного цикла Карно 1¢-2¢-3¢-4¢:

.

(10.4)

Согласно (10.4) коэффициент отопления всегда больше 1 (m >1), он зависит от температур вырабатываемого тепла (T_T) и окружающей среды (T_оc). С увеличением (T_T) либо падением температуры (T_оc) коэффициент отопления (m) уменьшается.

Идеальный цикл комбинированной установки, предназначенной для выработки искусственного холода и тепла, изображен на рис. 10.1 в виде прямоугольника с вершинами 1¢¢2¢¢3^¢¢4^¢¢. Эффективность цикла такой установки характеризуется коэффициентом трансформации

.

(10.5)

Для обратного цикла Карно:

.

(10.6)

Согласно (10.6), коэффициент трансформации K_K >1 зависит от температур T_x и T_T и уменьшается с увеличением T_Т или снижением T_х.

Таким образом, коэффициенты e, m, K зависят от температур вырабатываемого холода или тепла, и не годятся для сравнения по эффективности теплотрансформаторов, работающих в разных температурных интервалах. От этого недостатка свободен эксергетический КПД

,

который не зависит от температур горячего и холодного источников, и является показателем термодинамического совершенства, т.к. характеризует степень необратимости реальных процессов, протекающих в теплотрансформаторах.

В частности, для теплового насоса с электроприводом можно записать:

	(10.7)

где m - отопительный коэффициент теплового насоса (учитывает все потери), m_k - отопительный коэффициент цикла Карно для данного интервала температур (T_T - T_oc).

Аналогичные формулы могут быть получены для холодильной установки и для комбинированной установки:

,	(10.8)
.	(10.9)

Эксергетический КПД изменяется в пределах от 0 до 1 (0< £1).

Для идеального теплотрансформатора с циклом Карно .

По виду рабочего цикла теплотрансформаторы делятся на 2 основные группы: газовые и паровые.