2. Рабочие процессы холодильных и климатических установок

2.1. Круговые процессы или циклы

Первый закон термодинамики как частный случай закона сохранения и превращения энергии говорит о возможности превращения теплоты в механическую работу и, наоборот, в определенных количественных соотношениях.

Отношение теплоты к работе всегда постоянно. Его можно обозначить через константу А:

А = Q/L;

Константу А называют тепловым эквивалентом работы. В системе СИ механическую работу и теплоту измеряют в Джоулях (Дж), поэтому в этой системе А = 1. Следовательно: Q = L.

Соотношения между единицами измерения энергии приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Соотношения между единицами измерения энергии

Единица измерения энергии	Эквивалентные единицы
	кДж	ккал	кВт·ч	кГс·м
1кДж	1	0,239	0,00278	102,0
1ккал	4,19	1	0,00116	427
1кВт·ч	3600	860	1	367200
1кГс·м	0,00981	0,00234	2,72·10-6	1

При реализации кругового процесса в холодильных машинах и охлаждающих устройствах требуются затраты энергии, а в основе их действия лежит второй закон термодинамики, который гласит:

для передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу необходимо затратить энергию.

На рис.2.1 показаны принципиальные схемы действия теплового двигателя (а) и холодильной машины (б). В тепловом двигателе происходит прямой круговой процесс или цикл – последовательное изменение состояния рабочего вещества и возвращение его в исходное состояние.

В прямом цикле при подводе теплоты Q от источника с высокой температурой Т₂ совершается работа L. При этом часть теплоты Q₀ переходит к источнику с низкой температурой Т₁.

Энергетическую эффективность теплового двигателя оценивают термическим КПД, показывающим, какая часть тепловой энергии Q превратилась в работу L:

η_t = L/Q.

Термический КПД всегда меньше 1.

В холодильной машине происходит обратный круговой процесс или цикл. При совершении работы L теплота Q₀ с помощью рабочего вещества передается от источника с низкой температурой Т₁ к источнику с более высокой температурой Т₂.

Таким образом, для обратного кругового процесса или цикла холодильной машины можно дать следующее определение:

обратным круговым процессом или циклом холодильной машины называется замкнутый процесс последовательного изменения состояния, циркулирующего в нем рабочего вещества за счет затраты энергии. При этом осуществляется перенос теплоты Q₀ от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде – воздуху или воде.

Цикл холодильной машины показан на рис.2.2,а. Энергетическую эффективность холодильной машины оценивают холодильным коэффициентом, представляющим отношение теплоты Q₀ к работе L, которую нужно затратить, чтобы отвести ее от источника с низкой температурой

ε = Q₀/L.

Холодильный коэффициент может быть в несколько раз больше 1. Он зависит от разности температур Т₂ – Т₁. С ее увеличением он уменьшается.

Машину, в которой происходит также обратный цикл, но теплота Q₀ переносится от окружающей среды с температурой Т₂ к нагреваемой среде, имеющей температуру Т₃, называют тепловым насосом (ТН). Таким образом, тепловой насос предназначен для поддержания более высокой температуры Т₃ по сравнению с температурой окружающей среды Т₂. Цикл теплового насоса показан на рис. 3.2, б. Энергетическую эффективность теплового насоса оценивают коэффициентом преобразования (коэффициентом мощности, отопительным коэффициентом, коэффициентом трансформации теплоты):

φ = Q₁/L = (Q₀+L) / L =ε + 1.

Следовательно, энергетическая эффективность теплового насоса выше, чем энергетическая эффективность холодильной машины.

Для идеального обратного цикла Карно коэффициент преобразования определяется из соотношения

φ = (Т_вых – Т_вх) / Т_вых,

где Т_вых, Т_вх – температуры соответственно на выходе и входе ТН.

Действительный коэффициент преобразования ТН будет

φ _действ = η_тн · φ,

где η_тн – энергетический КПД ТН, учитывающий все потери энергии в насосе. Величина η_тн в современных ТН находится в интервале 0,65…0,7. В настоящее время считается вполне допустимой величина φ _действ ≥ 2,5…3,0 и хорошей – величина 3,5…4,6.

Установлено, что на крупной теплонасосной станции Швеции с теповой мощностью ТН – 30 тыс. кВт, действительный коэффициент преобразования составляет φ _действ = 3,2. Тепловые насосы Великобритании с тепловой мощностью 270…1300 кВт используются при φ _действ = 4,1…4,5. Отечественные тепловые насосы НТ-15, НТ-65, НТ-410 (цифры – тепловая мощность, кВт) используются для отопления и горячего водоснабжения при величине

φ _действ = 4,3…4,6.

Для оценки эффективности использования ТН более правильно использовать параметр

Q_тн/Q_т = η_тэц· φ _действ,

где Q_тн – тепловая мощность ТН; Q_т – теплота, затраченная на тепловой электростанции (ТЭЦ) при сжигании топлива для получения электрической энергии для привода насоса; η_тэц – КПД ТЭЦ (с парогазовым циклом – 0,55; с паровым – 0,37; с газовым – 0,33).

Возможен также комбинированный цикл (рис.2.2, в). В этом случае теплота Q₀, отводимая от охлаждаемой среды с температурой Т₁, передается нагреваемой среде с температурой Т₃. Осуществляя такой цикл, одновременно получают холод Q₀ и теплоту Q_r. Очевидно, что энергетическая эффективность комбинированного цикла выше, чем раздельного охлаждения и нагрева. В реальных условиях одновременное получение холода и теплоты с помощью одной и той же машины, при взаимосвязанных величинах Q₀ и Q_r не всегда целесообразно.