Работа бытового холодильника

В этом холодильнике, как и в любой холодильной машине, за счёт внешней механической работы теплота передаётся от тела с меньшей температурой телу с большей температурой. В безкомпрессорных холодильниках достигается небольшое охлаждение.

Рассмотрим принцип работы компрессорного бытового холодильника.

В нижней части бытового холодильника имеется небольшой компрессор, приводимый в движение электромотором. Система холодильного агрегата заполняется рабочим веществом (хладоагент – жидкость с низкой температурой кипения), обычно фреоном -12 (смесь органических веществ). Компрессор холодильника засасывает пары фреона из кожуха компрессора, сжимает их и нагнетает через трубопровод в конденсатор, представляющий собой трубчатый змеевик, расположенный на наружной части кожуха холодильника. В конденсаторе пары фреона конденсируются, при этом выделяющаяся теплота рассеивается в окружающее пространство через достаточно большую площадь охлаждения. После конденсатора жидкий фреон подаётся через капиллярную (тонкую) трубку в испаритель, имеющий достаточно большой внутренний объём и помещённый внутри шкафа холодильника. Поступающий в испаритель жидкий фреон испаряется, отнимая при этом теплоту от стенок испарителя и соприкасающегося с ним воздуха. Выход испарителя соединён трубопроводом с внутренней поверхностью кожуха компрессора, в который попадает пар хладоагента, охлаждается и повторяет цикл.

Технические циклы

Мы показали, что наивысшим КПД обладает обратимый цикл Карно: .

Применяемые же в технических тепловых машинах циклы необратимы и незамкнуты(по окончании цикла рабочее вещество выбрасывается наружу).

Рассмотрим некоторые технические циклы.

1.Рабочий цикл идеальной поршневой паровой машины (рис.1)

1)Участок 1 – 2: пар поступает из котла в цилиндр. Считаем = const. Давление пара растёт от (давление пара в холодильнике) до (давление пара в котле).

2)Участок 2 – 3:пар продолжает поступать, поршень движется вправо, растёт до , = const.

3)Участок 3 – 4:поступление пара в цилиндр прекращается. Пар расширяется адиабатически. Объём растёт от до . Поршень в крайнем правом положении.

4)Участок 4 – 5:пар выпускается в холодильник. Давление падает до .

5)Участок 5 – 1:при обратном движении поршень выталкивает оставшиеся пары. Объём падает от до . Поршень в крайнем левом положении.

Полная работа машины за 1 цикл равна: ;

Действительный цикл паровых машин несколько отличается от этого (см. пунктир внутри идеального цикла). Его . Для обратного цикла Карно, проведённого между теми же нагревателем(t =) и холодильник(t =), КПД .

2.Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания (Рис.2)

1) Первый такт – всасывание горючего(пары бензина вместе с воздухом). Объём растёт от до .= const (атмосфер.). Поршень идёт слева направо: ЕА.

2)Поршень идёт налево: АВ – сжатие адиабатическое: уменьшается до , увеличится до, изменится на .

3) Зажигание (от искры). Смесь взрывается: ВС, давление мгновенно растёт: от до , изменяется на . Затем поршень идёт вправо, газ расширяется адиабатически – CD – рабочий ход. При правом крайнем положении поршня открывается клапан выпускной: давление падает до , а температура с до : участок DA.

4)Четвёртый ход поршня влево – выталкиваются отработанные газы. Участок АЕ.

Работа при этом цикле равна:

Можно показать, что:. Мы исходим из того, что: .

, .

Для идеального цикла Карно мы бы имели:

, но > , поэтому: > .

3.Цикл Дизеля (Рис.3) Он применяется в двигателях внутреннего сгорания, где используется низкосортное горючее.

После всасывания воздуха(0 – 1)и его адиабатного сжатия (1 – 2) впрыскивается горючее(точка 2)Вследствие сильного нагревания воздуха при адиабатном сжатии горючее самовоспламеняется и сгорает относительно медленно – изобарно, поэтому поршень успевает прийти в движение(2 – 3). Затем – рабочий ход (адиабатное расширение:3 – 4). На участке 4 – 1 происходит изохорное охлаждение. В положении 4 открывается выпускной клапан. После этого продукты сгорания выбрасываются в атмосферу (1 – 0).

Здесь =, =.

Найдём КПД: ,, с учётом выражений для , и уравнения Пуассона получим: , где ,

после преобразований: .

Для повышения КПД нужно увеличить сжатие. По практическим соображениям коэффициент сжатия обычно не превышает 10. КПД современных двигателей внутреннего сгорания ~30-40 %(это близко к предельному значению).