6.2 Термодинамические процессы и обратный цикл

Для осуществления непрерывного охлаждения требуется по меньшей мере три тела: источник низкой температуры, приемник теплоты и переносящее теплоту от первого ко второму, называемое рабочим телом или хладагентом (холодильным агентом).

В отличие от прямого цикла (цикла тепловой машины), в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу, круговой процесс, в котором подводится работа (теплота) для передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу, называется обратным циклом.

Виды обратных циклов. Различают три обратных цикла (рис. 6. 2): холодильный 1–2–3–4, в котором теплота переносится от охлаждаемого тела с низкой температурой Т_Н к окружающей среде Т_О.С; теплового насоса 5–6–7–8, в котором теплота передается от окружающей среды к телу с более высокой температурой Т_В, и комбинированный (теплофикационный) 9–10–11–12, т. е. состоящий из первых двух.

Холодильный цикл на s–T- диаграмме (энтропия–абсолютная температура) показан на рис. 6.2. В изотермическом процессе 4–1 каждый килограмм циркулирующего хладагента получает от охлаждаемого тела теплоту q₀, называемую удельной массовой холодопроизводительностью хладагента, которая может быть выражена площадью а–4–1–b и равенством

q₀ = T_H(s_b-s_a). (6.1)

В изоэнтропном процессе 1–2 при затрате удельной работы (то есть отнесенной к 1 кг хладагента) l_К хладагент сжимается и в результате его температура повышается от Т_Н до Т_О.С. Далее в изотермическом процессе 2–3 каждый килограмм циркулирующего хладагента отдает окружающей среде теплоту q, измеряемую площадью а–3–2–b,

q = T_О.С(s_b-s_a). (6.2)

В заключительном адиабатическом процессе 3–4 хладагент расширяется с получением удельной работы l_Р и в результате температура хладагента понижается от Т_О.С до Т_Н.

Удельная работа цикла будет равна разности удельных работ, затраченной на сжатие хладагента l_К и полученной при его расширении l_Р

l = l_К - l_Р. (6.3)

В соответствии с первым началом термодинамики сумма энергии, подведенной к холодильному агенту, должна равняться сумме энергии, отведенной от него

q = q₀+ l. (6.4)

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

Эффективность осуществления холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом , равным отношению

 = q₀/l. (6.5)

С учетом равенств (6.1) и (6.2) уравнение (6.5) примет вид

 = Т_Н /(Т_О.С – Т_Н). (6.6)

Холодильный коэффициент может изменяться в пределах от 0 до . Холодильный цикл осуществляется с помощью совокупности технических средств, называемой холодильной машиной.

Цикл теплового насоса 5–6–7–8 показан на рис. 6.2. В изотермическом процессе 8–5 к хладагенту подводится удельная теплота q₀ от окружающей среды. В изоэнтропном процессе 5–6 при затрате удельной работы l_К хладагент сжимается и его температура повышается до Т_В. Затем в изотермическом процессе 6–7 хладагент передает полученную в предыдущих процессах теплоту q_B = q₀+l_K телу с высокой температурой. В изоэнтропном процессе 7–8 хладагент расширяется, совершая работу l_Р. В этом цикле теплота q₀ соответствует площади c–8–5–d, теплота q_B, отданная телу с высокой температурой, выражается площадью с–7–6–d, а работа цикла l = q_B – q₀ соответствует площади 5–6–7–8.

Энергетическая эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом , равным

 = q_В/l = Т_В /(Т_В – Т_О.С). (6.7)

Отопительный коэффициент всегда больше единицы и изменяется от 1 до . Цикл теплового насоса осуществляется совокупностью технических средств, называемой тепловым насосом.

Комбинированный цикл 9–10–11–12 показан на рис. 6.2. В изотермическом процессе 12–9 теплота q₀ подводится к хладагенту. В изоэнтропном процессе 9–10 при затрате работы l_K хладагент сжимается и его температура повышается до Т_В. В изотермическом процессе 10–11 хладагент передает теплоту q_B источнику высокой температуры. В последнем изоэнтропном процессе 11–12 хладагент расширяется, совершая работу l_Р. В этом цикле теплота q₀ выражается площадью е–12–9–f, теплота q_B – площадью е–11–10–f и работа цикла – площадью 9–10–11–12.

Энергетическая эффективность комбинированного цикла оценивается двумя коэффициентами: холодильным  = q₀/l_Х и отопительным  = q_В/l_ОТ.

Из рис. 6.2 можно заметить, что все три цикла состоят из двух изотермических и двух изоэнтропных процессов. Такой цикл называется циклом Карно.

Комбинированный цикл может осуществляться одной машиной, что целесообразней, чем двумя: холодильной машиной и тепловым насосом. Например, такая машина может осушать вымораживанием и подогревать воздух при кондиционировании, нагревать воду и охлаждать молоко на приемных пунктах, охлаждать пищевые продукты и нагревать воздух (воду) для технологических и (или) бытовых целей.