Перенос тепла в холодильной машине, цикл Карно

В природе перенос тепла осуществляется от тела более нагретого к телу менее нагретому. Этот процесс происходит самопроизвольно до установления теплового термодинамического равновесия, когда тем­пература двух сред станет равной.

Для переноса тепла в обратном направлении, согласно второму за­кону термодинамики, необходимо затратить энергию.

Перенос тепла в холодильной машине, цикл Карно

Окружающая среда

20 °С /I

Г777777Я7Л777777- У

30’С

Рис. 7.4

Обоснование принципа получения искусственного холода

1 — рабочая среда (холодильный агент), 2 — теплоотводящая часть (конденсатор), 3 — охлаждаемая среда (охлаждаемый объем), 4 — совершаемая работа (компрессор)

К охлаждаемой среде (рис. 7.4, поз. 3), например к воздуху в холо­дильной камере Q’, непрерывно подходит тепло от внешней среды Q.

Рабочая среда (1) (холодильный агент), имеющая более низкую температуру, чем температура охлаждаемой среды Q^ воспринимает тепло Q^, отнимая его от охлаждаемой среды (3). В холодильной ма­шине для передачи этого тепла окружающей среде на совершение ра­боты L затрачивается энергия. Эта работа, преобразованная в тепло, вместе с отведенным теплом Q^ которое называют холодопроизводи- тельностью холодильной машины, переносится на теплоотводящую часть холодильной машины, называемую конденсатором. Температу­ра рабочего вещества в этой части машины на 10-15 °С выше темпера­туры окружающей среды, поэтому тепло перемещается в направлении теплового потока от нагретой среды к окружающей среде.

Теоретической основой переноса тепла в холодильной машине яв­ляется второй закон термодинамики:

Q^d + L, Вт. (7.6)

Процесс переноса тепла отображается обратным циклом Карно (рис. 7.6).

Он протекает с минимальными энергетическими потерями на со­вершение переноса тепла и рабочего вещества в холодильной машине, в силу чего его принято называть идеальным. Процессы, протекающие в цикле Карно, традиционно рассматривают в диаграмме T—S, как наи­более наглядной демонстрационной диаграмме (Г — температура, SЭнтропия). Энтропию представляют как изменение количества тепла при температуре Гили как меру потери энергии.

Д5 = —> Дж/кг. (7.7)

Г

Процессы, протекающие в холодильной машине, отображаются в диаграммах состояния T—S и LgP—г (рис. 7.5).

Перенос тепла в холодильной машине, цикл Карно

Рис. 7.5

Структура диаграммы T—S и LgP—/

Пояснения к отображению процессов на диаграммах T—S и LgP—/

В диаграмме T—S по оси абсцисс нанесены значения энтропии (S), а по оси ординат — температуры. Сетка диаграммы образована изотермами (горизонтальными линиями) и изоэнтальпиями — адиабатами (верти­кальными линиями).

Левая пограничная кривая характеризует состояние вещества как жид­кость. Состояние вещества на этой линии соответствует нулевому зна­чению паросодержания. Состояние вещества между пограничными ли­ниями отражает состояние вещества в виде влажного пара. Состояние вещества на правой пограничной кривой характеризуется как сухой на­сыщенный пар. Состояние вещества правее правой пограничной кривой называют перегретым паром.

Изобары (Р = Const) в области влажного пара расположены параллельно оси абсцисс и совпадают с изотермами (Т= Const), а в области перегре­того пара они круто идут вверх. В области жидкости изобары практиче­ски совпадают с левой пограничной кривой.

В диаграмме T—S подведенное и отведенное тепло от хладагента изоб­ражаются площадями, расположенными под линиями процессов; удель­ная работа сжатия — разность этих площадей.

В диаграмме LgPI на оси абсцисс нанесены значения энтальпии (/, кДж/кг), а на оси ординат — абсолютные давления (в логарифмическом масшта­бе), Р, МПа. Сетка диаграммы образована изобарами (горизонтальные линии) и изоэнтальпами (вертикальные линии).

На диаграмме нанесены те же линии, что и в диаграмме TS, но располо­жение их иное: в области влажного пара изотермы совпадают с изобара­ми, в области перегретого пара они круто опускаются вниз, а в области жидкости поднимаются вверх. Излом изотерм происходит на погранич­ных линиях.

В диаграмме Lg PI подведенное и отведенное тепло, а также работа изображаются в виде отрезков на оси абсцисс. Диаграмма LgP—/удобна для выполнения практических расчетов, поэтому сравнительно с диа­граммой T—S ее используют чаще.

Цикл Карно

Работа холодильной машины в рамках идеального цикла Карно про­исходит в температурном диапазоне: охлаждаемая среда Г, теплоот- водящая среда Т.

Цикл Карно описывается 2 изотермическими и 2 адиабатическими процессами (рис. 7.6).

Процесс теплоотвода от охлаждаемой среды (отрезок 4-1) харак­теризует количество тепла (площадь Ъ-1 -4-b), которое может быть отведено 1 кг холодильного агента при превращении жидкого холо­дильного агента в пар (Qo, Дж/кг):

Qo=T0 (56 — Sa), Дж/кг. (7.8)

Количество тепла, которое передается теплоотводящей среде, оце­нивается площадью (B-2-З-а-Ь) под изотермой конденсации (отре­зок 2-3):

Q = T-(Sb-Sa), Дж/кг. (7.9)

Перенос тепла в холодильной машине, цикл Карно

Рис. 7.6

Цикл Карно

Энергетические затраты на совершение работы сжатия (L, Дж/кг) отображаются площадью (1-2-3-4-1), процесс сжатия — адиабатой (отрезок 1-2). При этом повышается температура рабочего вещества от температуры Г до Т:

L = (T-T0)-(S„-Sa), Дж/кг. (7.10)

Энергетическая эффективность получения холода на основе цикла Карно оценивается холодильным коэффициентом е:

E = (7.11)

/ т~т0

Величина холодильного коэффициента цикла Карно зависит от температурного уровня охлаждаемого объекта и теплоотводящей сре­ды. Эффективность переноса тепла возрастает, если понижается тем­пература теплоотводящей среды Т и если температура охлаждаемой среды То не является чрезмерно низкой. При (Г-Г) -»0 перенос тепла невозможен.

Posted in Холодильная техника