2. Циклы тепловых и холодильных машин, их эффективность.

Еще более 200 лет назад развитие промышленности поставило перед учеными и инженерами задачу непрерывного получения механической работы, работы упорядоченного движения рабочего тела. А на 100 лет позже пришлось поставить задачу непрерывного «получения холода» за счет работы (т.е. переноса теплоты от тел с нижнего температурного уровня на верхний).

Однако, получать работу или трансформировать ее в теплоту непрерывно в разомкнутом, одностороннем процессе – невозможно, хотя бы потому, что односторонне движущийся поршень в цилиндре неработоспособен (должен быть ∞ ход его). Поэтому необходимость циклов, как замкнутой системы процессов, для человеческой практики была давно понята, особенно при переходе к непрерывным технологическим процессам.

Определение. Циклом называется замкнутый (круговой) процесс.

Применение циклов создает условия возвращения рабочего тела в исходное состояние. Рассмотрим рис. 4.1.

Рис. 4.1. Иллюстрация работы тепловой машины (Т₁ > Т₂).

В точке 1 на диаграммах p – v и T – s рабочее тело начинает контактировать с источником теплоты (верхний температурный уровень). Далее, в процессе 1а2 происходит расширение рабочего тела и одновременно приход теплоты q₁ от источника к рабочему телу. В точке 2 прекращается контакт с источником, который отдал теплоту q₁, и организуется контакт рабочего тела со стоком теплоты (холодильником). В процессе 2в1 происходит сжатие рабочего тела с затратой работы и одновременно отдача теплоты q₂ холодильнику. Так, организуя контакт то с источником, то с холодильником, рабочее тело возвращается в исходное состояние т. 1 (здесь тепловой машине не требуется длинных цилиндров, будет короткий ход поршня).

Отметим важное обстоятельство на рис. 4.1: линия расширения 1а2 расположена на диаграмме p – v выше линии сжатия 2в1, следовательно, работа расширения будет больше работы сжатия (по абсолютной величине), следовательно, работа за цикл w > 0. Такие циклы получили название циклов тепловых машин (двигателей) или прямые циклы (а будут еще обратные). Просто в прямых циклах теплота превращается в работу, а в обратных (холодильных) работа в теплоту.

Рассматривая свойства внутренней энергии в лекции 1, было показано, что

q₁ – q₂ = q = w кДж/кг (4.3)

Определение. Термическим коэффициентом полезного действия технического устройства называется отношение количественно выражаемых пользы и затрат.

Следовательно, термический коэффициент полезного действия η_t теплового цикла равен

η_t = w/q₁ = (q₁ – q₂)/q₁ = 1 – q₂/q₁ кДж работы/кДж затраченной теплоты. (4.4)

Здесь q₁ – количество теплоты, взятого из источника рабочим телом, q₂ – количество теплоты, отданного холодильнику.

Величина η_t является количественной мерой совершенства, эффективности термодинамического цикла. Из (4.4) следует, что, чтобы η_t → 1, необходимо или q₂ → 0 и / или q₁ → ∞. Первое требование проблематично, второе – практически не реализуемо.

Рассмотрим цикл холодильной машины (или обратный цикл) на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Иллюстрация работы холодильной машины (Т₁ > Т₂).

В состоянии 1 рабочее тело приводится в контакт со стенками холодильной камеры, отводя из нее теплоту q₂ при совершении работы расширения в процессе 1в2. В состоянии 2 рабочее тело уже начинает контактировать с источником теплоты и в процессе 2а1 отдает теплоту q₁, забирая из внешней среды работу сжатия w. Таким образом, создавая контакт то с холодильной камерой, то с источником теплоты рабочее тело возвращается в исходное состояние т.1. При этом теплота q₂ переносится с нижнего температурного уровня Т₂ на верхний Т₁.

В этих циклах (их назвали холодильными) процесс расширения 1в2 в диаграмме p – v расположен ниже процесса сжатия 2а1 рабочего тела. Поэтому приходится подводить к циклу работу w из внешней среды. Это обстоятельство обусловило название холодильных циклов как обратных по отношению к тепловым (прямым).

Количественной мерой совершенства холодильного цикла является аналог термического коэффициента полезного действия, который в холодильной технике носит название холодильного коэффициента:

ε_х = польза/затраты = q₂/w = q₂/(q₁ – q₂) кДж «холода»/кДж работы. (4.5)

Замечание. Холодильный цикл на рис. 4.2 термодинамически ничем не отличается от цикла теплового насоса, но последний называют такой цикл, который используется для отопления подводом теплоты q₁ за счет работы.

Определение. Тепловым насосом или динамическим отоплением называют процесс получения теплоты за счет затрачиваемой работы.

И в холодильной машине и в тепловом насосе рабочее тело переносит теплоту к телам с высокой температурой Т₁ от тел с низкой Т₂ за счет затрачиваемой работы.