4. Циклы трансформаторного тепла

В народном хозяйстве нашей страны все более широкое применение находит выработка искусственного холода и трансформация тепла, заключающаяся в повышении потенциала отбросной тепловой энергии. Искусственный холод имеет огромное значение для пищевой промышленности, где охлаждение продуктов является неизменным средством сохранения их пищевой ценности. Искусственное охлаждение до очень низких температур (глубокий холод) применяется в химической и газовой промышленности для сжижения ряда технически важных газов. В последние годы искусственный холод получил широкое распространение в установках для кондиционирования воздуха, создающих благоприятную температуру и влажность воздуха в цехах промышленных предприятий, в общественных зданиях, на морском, железнодорожном, авиационном и автомобильном транспортах.

По мере роста выработки электрической энергии и удешевления ее стоимости все большее применение получает так называемое «динамическое отопление», при кото­ром с помощью термотрансформаторов частично используется теплота окружающей среды для отопления зданий. На ряде предприятий подобные установки применяются для повышения температурного потенциала тепловой энергии отбросных газов и жидкостей.

Все термотрансформаторы в зависимости от их назначения и температурного уровня трансформируемого тепла называют тепловыми насосами, или холодильными машинами.

Холодильными машинами называют установки, предназначенные для понижения температуры тел ниже температуры окружающей среды и для непрерывного поддержания заданной низкой температуры. Теплоту, передаваемую при температуре ниже окружающей среды, называют холодом.

И в холодильных машинах, и в тепловых насосах происходит перенос тепла от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой. Различие состоит только в уровнях этих температур.

Холодильные машины применяются и для охлаждения воздуха на все двигателей внутреннего сгорания, что дает возможность повысить их мощность в жаркий период года на 50% и более. Все это говорит о том, какое исключительно важное значение имеет изучение вопросов термо­динамики холодильных машин и тепловых насосов.

Согласно второму закону термодинамики перенос тепла от тел более холодных к телам более горячим как процесс противоестественный должен обязательно сопровождаться компенсирующим естественным процессом. Таким компен­сирующим процессом и в холодильных машинах, и в тепловых насосах является превращение механической или электрической энергии в тепловую или переход тепла от тел более горячих к телам более холодным. Процесс перехода тепла от более холодного тела к более горячему осуществляется посредством затраты выработанной ранее энергии высокого потенциала или уменьшения ее работоспособности. Иначе говоря, выработка холода всегда сопровождается затратой работы.

Отношение выработанного холода к затраченной работе называют холодильным коэффициентом. Значение холодильного коэффициента теоретически может меняться от нуля до бесконечности в зависимости от значений температур и совершенства установки.

Все холодильные установки непрерывного действия работают по обратным термодинамическим циклам. Обратными они называются потому, что в pv- или Ts- координатах их процессы имеют направление против часовой стрелки, в то время как процессы всех циклов тепловых двигателей направлены по движению часовой стрелки.

Паровые компрессорные тепловые насосы в последнее время широко используют для отопления жилых и служебных зданий. В этой установке рабочее тело (фреон) компрессором сжимается до заданной температуры и направляется в отопительные радиаторы , где конденсируется. Пройдя затем через дроссель , конденсат дросселируется, частично вскипает и снижает свою температуру до величины Т_х, меньшей, чем температура воды в реке. Отбирая затем тепло от речной воды, фреон испаряется в испарителе и поступает в компрессор . Цикл повторяется.

Благодаря тому, что температура нижних слоев воды в реке даже в самые сильные морозы превышаете ноль градусов на несколько градусов, а температура воздуха в отапливаемых помещениях должна быть не более плюс двадцати, действительный тепловой коэффициент теплового насоса составляет приблизительно 5. Это дает возможность почти в 5 раза снизить расход электроэнергии на отопление по сравнению с обычными электронагревателями сопротивления.

Эффективность цикла парокомпрессорной холодильной установки выше, чем эффективность газового цикла, поэтому парокомпрессорные холодильные установки используются чаще. Эффективность же газового цикла невелика, т.к. с учётом необратимости процессов сжатия и расширения работа увеличивается, а холодопроизводительность уменьшается.