ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 51
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛА
Устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Тн(теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Тв(теплоприемнику), называются трансформаторами теплоты. Чтобы осуществить такое преобразование теплоты, необходимо затратить внешнюю энергию: механическую, электрическую, химическую и др. В зависимости от того, на каком температурном уровне по отношению к температуре окружающей среды Т0, которую обычно принимают равной 20 0С,работают трансформаторы теплоты, они подразделяются на холодильные и теплонасосные установки.
В холодильных установках температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, т. е. Тн<Т0,а температура теплоприемника равна температуре окружающей среды, т. е. Тв = Т0.
В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающейсреды, т. е. Тн³ Т0и Тв >> Т0.
Трансформатор теплоты может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка. В это случае: Тн < Т0 и Тв >Т0. Такой процесс называется комбинированным. На рис. 1 приведены принципиальные схемы работы трансформаторов теплоты. Холодильный процесс (рис. 1а) протекает следующим образом. Охлажденное тело А отдает теплоту хладоагенту при температуре Тн < Т0.Затем в холодильной машине за счет подведенной механической энергии l происходит повышение температуры хладоагента до температуры Т0. Нагретый хладоагент передает в окружающую среду количество теплоты, равное: qв = qн + l. Процесс в тепловом насосе(рис. 1б)протекаетаналогично, но при других температурных потенциалах, в соответствии с назначением установки – передать нагреваемому телу Б часть теплоты окружающей среды с более низкой температурой.
В комбинированном процессе (рис. 1в)происходит одновременно выработка теплоты и холода – охлаждается среда
А и нагревается среда Б
.
Рис. 1. Принципиальная схема работы трансформаторов теплоты:
а –холодильная установка; б – теплонасосная установка; в – комбинированная установка
Согласно второму закону термодинамики переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому возможен только при дополнительной затрате работы или теплоты извне и осуществляется путем совершения обратного кругового термодинамического процесса (цикла).
На принципе обратных циклов работают трансформаторы теплоты, предназначенные для переноса теплоты с низшего температурного уровня на более высокий. Наиболее совершенным циклом для осуществления такого процесса является обратный цикл Карно.
На рис. 2 изображены обратные циклы Карно для трансформаторов теплоты, осуществляющих холодильный, теплонасосный и комбинированный процессы.
Адиабатическое сжатие в цикле Карно осуществляется в компрессоре с затратой работы, а расширение – в детандере с получением работы.
Основное уравнение теплового баланса обратного кругового процесса
(5.1)где qв, qн– теплота, переданная телу с более высокой температурой и отведенная от охлажденного тела; l – энергия, подведенная к рабочему телу.
Рис. 2. Диаграммы обратных циклов.
а – холодильный цикл; б – цикл теплового насоса; в – комбинированный цикл
Эффективность обратного холодильного цикла (рис. 2а) определяется холодильным коэффициентом e, т. е. отношением количества теплоты, отведенной от охлаждаемого тела, к затраченной в цикле работе:
(5.2)Холодильный коэффициент цикла Карно
(5.3)Из выражения (5.3) следует, что холодильный коэффициент не зависит от свойств рабочего агента
, а определяется лишь температурами охлаждаемой среды Тн и среды, которая воспринимает теплоту, Т0. Увеличение Тн и уменьшение разности Т0 –Тн повышает холодильный коэффициент и, следовательно, энергетическую эффективность работы холодильной установки. Теория холодильных машин рассматривает условия, при которых коэффициент e может иметь наибольшее значение. Из совместного решения уравнений (5.2) и (5.3) можно определить минимальную работу, необходимую для холодильной машины, при получении искусственного холода:
(5.4)Соответственно удельная затрата работы (на единицу полученного холода)
(5.5)Тепловой насос (рис. 2б) работает аналогично холодильной машине, но при более высоких температурах.
Эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования j, т. е. отношением теплоты, полученной телом с температурой Тв,к механической работе, затраченной в установке:
(5.6)Коэффициент преобразования и холодильный коэффициент связаны между собой следующим соотношением:
(5.7)Соответственно коэффициент преобразования для цикла Карно
(5.8)Работа, необходимая для выработки теплоты в теплонасосной установке, может быть определена из уравнений (5.6) и (5.8):
(5.9)Удельная затрата работы (на единицу выработанной теплоты) равна:
(5.10)Трансформаторы теплоты, работающие по комбинированному циклу (рис. 2в), могут найти применение на объектах, где одновременно требуется и теплота и холод, например на предприятиях, расходующих горячую воду с температурой 40–70 °С на технологические и бытовые нужды и холодную воду с температурой 3–8 °С для кондиционирования воздуха помещений.
В действительных (необратимых) циклах трансформаторов теплоты значения холодильного коэффициента преобразования ниже, чем в обратных циклах. Степень отклонения зависит от необратимых потерь, вызываемых конечной разностью температур при теплообмене с внешними источниками тепла.
Температура рабочего тела всегда бывает ниже температуры теплоотдатчика и выше температуры теплоприемника. Увеличение перепада температур Т0–Тн в холодильном процессе, а в цикле теплового насоса Тв– Т0 вызывает в машине дополнительную затрату работы.
На снижение коэффициентов e и j влияют также дополнительная затрата работы на преодоление сил трения в самой машине и потери с дросселированием, вводимым в обратные циклы.
Для холодильных машин, в которых затрачивается тепловая энергия, характеристика цикла определяется тепловым коэффициентом x, представляющим собой отношение полученного холода (отведенного от охлаждаемого тела) qн к затраченной в цикле тепловой энергии qп, т. е.
(5.11)