ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛАУстройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Т_н(теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Т_в(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. Т_н<Т₀,а темпе­ратура теплоприемника равна температуре окружающей среды, т. е. Т_в = Т₀.В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающейсреды, т. е. Т_н³ Т₀и Т_в >> Т₀.Трансформатор теплоты может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка. В это случае: Т_н < Т₀ и Т_в >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 Т_н < 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: q_в = q_н + 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 установкаСогласно 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 q_в, q_н– 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 циклЭффективность 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 Т_н и среды, которая воспринимает теп­лоту, Т₀. Увеличение Т_н и уменьшение разности Т₀ –Т_н 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 Т_в,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–Т_н в холодильном процессе, а в цикле теплового насоса Т_в– 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) q_н к затраченной в цикле тепловой энер­гии q_п, т. е.  (5.11)

---

Смотрите также файлы

• Актуальность данной темы состоит в том, что.docx

• 20222023 оу жылында 9сынып оушыларын математика пнінен ожсба дайындау жоспары.doc

• Профилактика травматизма и профзаболеваний на.docx

• Лекции по общественногосударственной подготовке с личным составом дежурных караулов 6 псч фпс псо фпс управления по юао.docx

• Мышечный панцирь.docx