Обратные циклы

Обратным называется цикл, в котором подведённая теплота меньше отведённой . В итоге работа обратного цикла является отрицательной, т.е. для его реализации необходимо затратить работу.

Принципиальная схема устройства, реализующего обратный, цикл представлена на рис. 37.

Рис. 37.

На этом рисунке:

ОО - охлаждаемый объект с температурой Т_ОО;

НО – нагреваемый объект с температурой Т_НО.

При этом, чтобы в работе изображённой установки был смысл, температура охлаждаемого объекта Т_ОО должна быть меньше температуры нагреваемого объекта Т_НО. Для обратного цикла выполняется энергетический баланс

.

(144)

Рис. 38. Рис. 39.

На рис. 38 изображён обратный цикл в Т-S диаграмме. Процесс 1а2 сопровождается подводом тепла Q₁, т.к. энтропия возрастает. При этом подведённая теплота равна площади под линией 1а2. В процессе 2b1 теплота Q₂ отводится, т.к. энтропия уменьшается, и эта теплота равна площади под линией 2b1. Из рисунка видно, что площадь фигуры m1a2n меньше площади m1b2n, поэтому Q₁<Q₂, и цикл является обратным.

На рис. 39 изображён обратный цикл в P-V диаграмме. Процесс 1а2 сопровождается совершением работы L_1a2, т.к. объём в этом процессе возрастает. При этом совершённая работа равна площади под линией 1а2. В процессе 2b1 работа L_2b1затрачивается, т.к. объём уменьшается, и эта работа равна площади под линией 2b1. Из рисунка видно, что площадь фигуры m1a2n меньше площади m1b2n, поэтому L_1a2<L_2b1, и цикл является обратным.

Обратные термодинамические циклы делятся на три вида:

1. холодильные циклы;

2. циклы теплового насоса;

3. комбинированные циклы.

Холодильный цикл изображён на рис. 40 под римской цифрой I. Это обратный цикл, в котором работа затрачивается для того, чтобы отвести теплоту Q₁ от охлаждаемого объекта, находящегося при температуре Т_ОО ниже температуры окружающей среды Т_ОС.

Рис. 40.

Холодильные циклы реализуются в низкотемпературных установках, в частности, в бытовых холодильниках. В этом случае теплота Q₁, подводимая к рабочему веществу (фреону), – это теплота, отводимая от продуктов, находящихся в морозильной камере.

Цикл теплового насоса II - это обратный цикл, в котором работа затрачивается для подвода тепла Q₂ к нагреваемому объекту, находящемуся при температуре Т_НО выше температуры окружающей среды Т_ОС. Это цикл реализуют бытовые кондиционеры, работающие в режиме обогрева помещения. Нагреваемым объектом в этом случае является комнатный воздух. Температура нагреваемого объекта - это комнатная температура. В качестве окружающей среды выступает наружный воздух с низкой температурой. Теплота Q₂, идущая на нагрев помещения в этом случае и определяемая по выражению (144), больше теплоты, которая подводилась бы при нагреве помещения электрическим нагревателем, в котором в тепловую энергию превращается электрическая энергия L.

Комбинированный цикл III – это обратный цикл, в котором работа затрачивается для отвода тепла Q₁ от охлаждаемого объекта, находящемуся при температуре Т_ОО ниже температуры окружающей среды, и одновременному подводу тепла Q₂ к нагреваемому объекту, находящемуся при температуре ТНО выше температуры окружающей среды. Устройством, реализующем комбинированный цикл, является бытовой холодильник, находящийся в жилом помещении. В свою очередь, с наружи этого помещения находится воздух с низкой температурой. В этом случае объектом нагрева, которому подводится теплота Q₂ (отводимая от цикла), является воздух , находящийся в помещении с комнатной температурой. Объектом охлаждения служат продукты, находящиеся в морозильной камере, от которых отводится теплота Q₁ и которая подводится к фреону, циркулирующему в холодильнике.

Коэффициент эффективности холодильного цикла называется холодильным коэффициентом ε. Полезной энергий в этом случае является теплота Q₁, отводимая от охлаждаемого объекта и подводимая к рабочему веществу, совершающему цикл. Затраченной энергией является подводимая работа L. Поэтому

.

(145)

Из этого выражения видно, что, в отличие от КПД, холодильный коэффициент может быть как меньше, так и больше единицы. В этом его существенный недостаток, т.к. он не предоставляет эталона для сравнения (эталон для КПД – 1).

Коэффициент эффективности цикла теплого насоса называется отопительным коэффициентом μ. В этом случае полезной энергией является теплота Q₂, подводимая к нагреваемому объекту (и отводимая от цикла). Затраченной энергией является подводимая работа L. Поэтому

.

(146)

Из этого выражения видно, что отопительный коэффициент всегда больше единицы, причём цикл теплового насоса тем эффективнее, чем большее значение принимает μ над единицей.

Коэффициент эффективности комбинированного цикла не имеет специального названия и обозначается k. Полезной энергий в этом случае является теплота Q₁, отводимая от охлаждаемого объекта, и одновременно теплота Q₂, подводимая к нагреваемому объекту. Затраченной энергией является подводимая работа L. Поэтому

.

(147)

Из этого выражения видно, что коэффициент эффективности комбинированного цикла заведомо больше единицы,