Вопросы для самоконтроля:

1.  Перечислите области применения искусственного холода.

2.  На чем основано применение холода в пищевой промышленности?

3.  Объясните, почему адиабатическое расширение газов более выгодно с точки зрения энергосбережения, чем дросселирование?

4.  Преимущества и недостатки генерации искусственного холода на основе эффекта Пельтье.

5.  Можно ли получить водный лед с температурой плавления плюс 5 С?

Литература: [1, с. 5...31; 2, 7] Лекция 2.Термодинамические основы искусственного охлаждения

2.1. Принцип работы холодильной машины

Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом. Циркулирующее в холодильной машине рабочее тело, совершая круговой процесс (цикл), отнимает теплоту от охлаждаемого тела и возвращается в первоначальное состояние. Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние необходимо, чтобы теплота, отнятая у охлаждаемого тела, была отдана другому телу (окружающей среде).

Таким образом, задачей холодильной машины является перенос тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой (например, от пищевых продуктов с температурой плюс 10 С, находящихся внутри холодильника, к окружающему воздуху комнаты с температурой плюс 25С).

Согласно второму закону термодинамики для осуществления кругового процесса, который обеспечит отвод тепла от холодного тела и передачу его более нагретому телу, требуется затрата внешней работы. Такой круговой процесс будем называть холодильным циклом. В любой из термодинамических диаграмм холодильный цикл направлен против часовой стрелки, поэтому холодильные циклы называют обратными. Рабочее тело, с помощью которого осуществляется обратный цикл, называют холодильным агентом.

На рис. 2.1(a) показан принцип действия холодильной машины.

Рис. 2.1.  Принцип действия холодильной машины (а) и теплового насоса (б)

Совершая обратный круговой процесс, холодильный агент отбирает у охлаждаемого тела с низкой температурой Т₀теплоQ₀, трансформирует его к более высокой температуреТ_0си передает окружающей среде. При этом на совершение такого процесса затрачивается внешняя работаL, которая, в конечном счете, также трансформируется в тепло и передается окружающей среде. Согласно первому закону термодинамики можно записать:Q₁=Q₀+L, т.е. в холодильной машине тепловой потокQ₁всегда большеQ₀.

Машины, в которых осуществляется обратный круговой процесс, могут быть использованы не только для искусственного охлаждения, но и как повышающие трансформаторы тепловой энергии. Такие машины называют тепловыми насосами (ТН), а цикл их приведен на рис. 2.1, б. Здесь рабочее тело также совершает обратный круговой процесс. При этом создаются такие условия, чтобы оно отбирало тепло Q₀у окружающей среды с температуройТ_0си с помощью внешней работыLтрансформировало его к более высокой температуреТ₁в количествеQ₁.

Принцип действия ТН становится наглядным, если проиллюстрировать его работу в качестве отопительного устройства. Фактически он является повышающим трансформатором тепловой энергии. Если, например, температура наружного воздуха Т_0с= плюс 5С, а внутри помещения поддерживаетсяТ₁= плюс 25С, то с помощью ТН удается тепло окружающей среды в количествеQ₀трансформировать к температуреТ₁в количествеQ₁, т.е. отапливать помещение. В промышленности тепловые насосы используют для утилизации низкопотенциальных источников энергии с целью получения тепла при более высокой температуре для последующего использования его в технологическом процессе. Например, тепло потока конденсата при температуре плюс 60...80С после стерилизатора можно трансформировать к температуре плюс 120...130С и использовать повторно в парогенераторе для получения водяного пара. При этом на 1 кВт энергии, затраченной на привод ТН, можно, в зависимости от рабочих параметров его работы, получить 3…5 кВт тепловой энергии.

8 2 4 1 Т Т1 b d (b) l 6 7 5 3 Т0с Т0 q0 (а) а c s'

Рис. 2.2.  Обратные циклы Карно: а) холодильной машины; б) теплового насоса

Наиболее простым и энергетически эффективным циклом холодильной машины является обратный цикл Карно (рис. 2.2,а). В изотермическом процессе 4, 1 каждый килограмм циркулирующего рабочего тела получает от охлаждаемого тела теплотуq₀, называемую удельной массовой холодопроизводительностью, которая в диаграмме выражается площадью а, 4, 1, b. Затем холодильный агент сжимается в адиабатическом процессе 1, 2, в результате чего его температура повышается отТ₀доТ_0с. Далее в изотермическом процессе 2, 3 он отдает окружающей среде теплотуq₁, пропорциональную площади а, 3, 2, bи возвращается в исходное состояние 4 после адиабатического расширения 3, 4.

Из приведенной выше диаграммы видно, что:

, (2.1)

, (2.2)

т.е. q₁>q₀.

Согласно первому закону термодинамики (для 1 кг холодильного агента):

, (2.3)

т.е. работа цикла lбудет эквивалентной площади цикла 1, 2, 3, 4.

Эффективность осуществления холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом, который представляет собой отношение полезного эффекта (удельной массовой холодопроизводительности) к затраченной энергии (удельной работе сжатия):

. (2.4)

С учетом соотношений (2.1)...(2.3) уравнение (2.4) будет иметь вид:

.

Таким образом, мы пришли к известному выводу о том, что термодинамическая эффективность цикла Карно зависит только от температур, между которыми осуществляется цикл. Величина всегда положительна и может изменяться в интервале 0 <<.

Эффективность цикла ТН выражается коэффициентом преобразования теплоты (отопительным коэффициентом), равным отношению полученной теплоты (площадь с, 7, 6, d) к затраченной работе (площадь 8, 7, 6, 5):

. (2.5)

Коэффициент преобразования теплоты всегда больше единицы. Это свидетельствует о том, что полученное тепло всегда больше затраченной энергии, причем иногда значительно больше. Однако не следует забывать, что практически всегда работа в ТН сопровождается затратами электроэнергии, которая значительно дороже тепловой. Кроме того, стоимость холодильного оборудования выше теплового, поэтому до последнего времени в нашей стране бытовало мнение, что выработка тепла с помощью ТН экономически не оправдана.

В то же время все промышленно развитые страны для выработки низкопотенциального тепла уже давно используют ТН. По данным Международного агентства тепловых насосов (Берлин) на начало третьего тысячелетия в мире эксплуатируется более ста миллионов ТН, из которых более половины находится в Японии. В Европе лидерами по использованию ТН являются Швеция, Норвегия и Австрия.

В независимой Украине существует острый дефицит энергоресурсов, поэтому в настоящее время теплонасосные установки находят более широкое применение. Их внедрением занимаются компании, которые работают на рынках жилищно-коммунальных хозяйств и теплохладоснабжения промышленных предприятий. Пионерами в массовом производстве ТН отечественного производства являются ООО «Рефма», ООО «Сан-Айс», ООО «Инсолар» и др.