2. Основныетермодинамическиепринципыработыхолодильной машины

Г.И.

Р.Т.

Q_х

Х.И.

Рассмотримтермодинамическуюсистему,со-стоящуюиздвухтел,называемых«горячийисточ-ник»Г.И.и«холодныйисточник»Х.И.(рис.1.4).При

^Qг этомтемпературагорячегоисточникавыше,чемтем-

_L пературахолодного.Поставимзадачу–передатьтепловуюэнергиюQ_xотхолодноготелакгоряче-

_Qх мутелу.Следуетотметить,чтопоставленнаязадачаявляетсяосновнойзадачейхолодильнойтехники.Всо-

со- ответствиисовторымзакономтермодинамикисамо-

про-

Рис.1.4.

извольнотакаяпередачатепланевозможна.Длявы-

полненияпоставленнойзадачивведемвсистемупромежуточноетермодинами-ческоетело,называемое«рабочимтелом»Р.Т.Дляосуществленияпередачитепланеобходимо,чтобыприконтактесхолоднымисточникомтемпературарабочеготелабылабынижетемпературыхолодногоисточника,приконтактесгорячимисточникомвыше,чемтемпературагорячегоисточника.Такимобра-зом,образуетсясистемаизтрехнеравенств:

1).Тx Тг

2).Т_Р Тx

3).Т_Р Тг

Одновременнопервое,второеитретьеусловиянемогутбытьвыполне-

ны.Отсюдавытекаеттребованиекрабочемутелу,чтобыоноконтактировалосхолоднымигорячимисточникомпопеременноиизменялобысвоютемперату-руприпереходах.Этотребованиереализуется,еслирабочеетелосовершаетзамкнутуюсовокупностьпроцессов,называемуюобратнымтермодинамиче-скимциклом,причемтакимобразом,чтобыприконтактесхолоднымисточни-комвыполнялосьвтороеусловие,априконтактесгорячимтретье.

Очевидно,чтовобратномтермодинамическомциклепомимопроцессовтеплообменарабочеготеласгорячимихолоднымисточниками,должныпри-

сутствоватьипроцессы,приводящиекизменениютемпературногоуровняра-

бочеготела,каквпрямомнаправленииотТ_гдоТ_х,такивобратномотТ_хдоТ_г.Дляосуществленияпоследнихтребуется,чтобысуществовалитакиепарамет-ры,влияянакоторыемымоглибыизменятьтемпературурабочеготела.Этипараметрыназываютсяпараметрамивоздействия.Например,вкачестветакогопараметравомногихтипаххолодильныхмашинвыступаетдавлениерабочеготела.Отсюдавытекает:длятогочтобырабочеетеломоглосовершатьтермоди-намическийцикл,требуется,чтобыегоэнтропиязависелаоттемпературыихо-тя быещеотодного параметрах,называемогопараметромвоздействия:

s fT,x.

Вбольшинствехолодильныхмашинвеществорабочеготела,называе-моехолодильнымагентом,находитсявжидкомилигазообразномсостоянии,присутствуяприэтомодновременнововсехэлементаххолодильноймашины.Вэтомслучаевсепроцессыобратноготермодинамическогоциклаосуществ-ляются одновременноинепрерывно,нокаждыйизпроцессов строгопривязанкодномуизэлементов.Поэтомувдальнейшемприописаниирабочихпроцессовхолодильныхмашинподрабочимтеломмыбудемпониматьвыделенныйэле-ментарныйобъемвеществарабочеготела,который,переходяизодногоэле-ментахолодильноймашинывдругой,претерпеваетвсеизменениявпроцессахпроисходящихвэтихэлементах.

Самопроизвольнообратныйтермодинамическийциклосуществлятьсянебудет.Длясовершениярядаегопроцессовкрабочемутелунеобходимоподводить механическуюработуLилиэнергиювкакой-тодругойформе.

Такимобразом,основныетермодинамическиепринципыработыхоло-дильноймашинымогутбытьсформулированы:

1. холодильнаямашинаработаетвтермодинамическойсистеме,состоящейизхолодного, горячегоисточникаирабочеготела;

2. рабочеетелодолжносовершитьобратныйтермодинамическийцикл,дляэтогонеобходимо,чтобыегоэнтропиязависелаоттемпературыихотябыещеотодногопараметрах,называемогопараметромвоздействия;

3. длясовершениятермодинамическогоцикланеобходимозатрачиватьвнешнююэнергию.

ТеплотаQ_{xпередаваемая}отхолодногоисточникагорячемуназываетсяхолодопроизводительностьюхолодильноймашины.Данныйобщепринятыйтермин,сложившийсяисторически,неотражаетфизическойсутипроисходя-щихпроцессов,посколькухолодильнаямашинане«производитхолод»,апе-реносит тепловую энергиюснизкоготемпературногоуровнянаболеевысокий.

Израссмотреннойсхемыработыхолодильноймашиныясно,чтогоря-чемуисточникуотводитсянетолькотеплотаQ_x,ноиподведеннаякрабочемутелуэнергияL,котораянезависимоотпервоначальнойформыпревращаетсявтепловуюэнергию.Такимобразом,энергетическийбалансхолодильноймаши-ны(илюбогообратноготермодинамическогоцикла)можновыразитьследую-щимсоотношением

Q_г=Q_x+L. (8)

Работающаяхолодильнаямашинапередаетдополнительнуютепловуюэнергию,равнуюповеличинеL,окружающейсреде(горячемуисточнику)уве-личиваяееэнтропию.

Внутреннийтеплообменвобратномтермодинамическомцикле

Посколькувобратномтермодинамическомциклехолодильноймашиныдолжныприсутствоватьпроцессы,приводящиекизменениютемпературыра-бочеготелавпротивоположныхнаправлениях,товполнеочевиднойстановитсяидеяиспользованиявнутреннеготеплообменамеждупотокамирабочеготелавэтихпроцессах.Действительно,температуратеплогопрямогопотокарабочеготелапослетеплообменасгорячимисточникомможетбытьпониженазасчеттеплообменасхолоднымобратнымпотоком,температуракоторогопослетеп-лообменасхолоднымисточникомдолжнабытьповышена.Такойвнутреннийтеплообменмеждупотокамиодногоитогожетермодинамическоготеланазы-ваетсярегенеративным.Регенеративныйтеплообмендостаточночастовстре-чаетсявобратныхтермодинамическихциклаххолодильныхмашиниврядеслучаевспособензаметноихулучшить.