Меню

Мощность холодильной машины карно

Цикл холодильной машины Карно. Принцип работы холодильника

Ранее отмечалось, что тепловая машина может работать и по обратному циклу Карно (рис. 8.17). Результатом такого цикла является то, что ра­бочее тело получает энергию в тепловой форме от низкотемпературного источника энергии (холодильника) и передает ее высокотемпературному источнику энергии (нагревателю). На первый взгляд это противоречит второму закону термодинамики, одна из формулировок которого гласит:

• энергия в тепловой форме не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу.

Из этой формулировки видно лишь то, что процесс не может быть самопроизвольным. Следовательно, принципиально второй закон термо­динамики не запрещает переход теплоты от низкотемпературного резер­вуара (источника) к высокотемпературному. Из практики действительно известно, что при приведении в контакт двух тел энергия в форме теплоты будет самопроизвольно передаваться от более нагретого тела (имеющего большую температуру) к менее нагретому телу (имеющему меньшую тем­пературу). В противоположном направлении переход энергии в тепловой форме от менее нагретого тела к более нагретому телу самопроизвольно невозможен. Тем не менее, этот процесс возможен при определенных условиях, которые должны быть созданы искусственно. Совершив цикл Карно в обратном направлении, можно целенаправленно вызвать переход энергии в тепловой форме от менее нагретого тела к более нагретому телу.

При совершении обратного цикла Карно затрачивается энергия в ме­ханической форме в количестве Wре3. Затрачиваемая энергия в механи­ческой форме имеет знак «минус». Это означает только то, что энергия в механической форме передается рабочему телу из окружающей среды. В соответствии с правилом термодинамических знаков, если энергия в механической форме отводится от рабочего тела в окружающую среду, она положительна. Структурная схема работы холодильной машины Карно показана на рис. 8.21.

В чем состоит идея холодильной машины Карно? Фактически это та же тепловая машина, но работающая по обратному циклу.

Пусть рабочее тело (газ) находится в цилиндре в сжатом состоянии (точка а на индикаторной диаграмме; рис. 8.22). Предоставим газу воз­можность расшириться адиабатически, т. е. без притока энергии извне[6].

Отвод энергии е Тепловой форме

\ \Иэотерма\I

Цикл холодильной машины Карно. Принцип работы холодильника

Высоттемжрамурный источник тепловой энергии J

Источник

Рис. 8.21. Условная схема работы тепловой машины по обратному циклу Карно

Г Нобёой эмёргйй V «

\ механической форме»

\Лдиабата I————

\Иэотерма\

1 TJ___________ Адиабата

Подвод энергии E Тепловой форме

Рис. 8.22. Индикаторная диаграм­ма обратного цикла Карно

Процесс адиабатического расширения будет происходить по линии а-Ъ. Объем газа увеличится. Рабочим телом (термодинамической системой) будет совершена положительная работа, численно равная площади фигуры А-Ь-2-1 под линией адиабатического расширения а-Ъ. Так как в этом процессе энергия в форме теплоты к рабочему телу не подводится, но отводится в механической форме (путем совершения работы), внутренняя энергия рабочего тела будет уменьшаться:

AU = иь — иа = Qa-b — Wa-b = — WV*; Ub-Ua = Ua — Ub = Wa-b]

(Qa.6 = 0); Wa. b >0^Ua>Ub

Можно заключить, что подводимая в адиабатическом процессе сжатия работа (энергия в механической форме) расходуется только на повышение внутренней энергии рабочего тела, так как Qc-d = 0. Так как в процессе сжатия c-d внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, увеличива­ется и его температура (Td > Тс).

В адиабатическом процессе сжатия к рабочему телу подводится энергия в механической форме И^, численно равная площади фигуры c-d3-4.

Таким образом, поступающая из окружающей среды энергия в механи­ческой форме в процессе адиабатического сжатия преобразуется во внут­реннюю энергию рабочего тела. Возрастание внутренней энергии рабочего тела означает, что его температура также увеличивается. В точке d, когда температура рабочего тела достигнет значения Td, которое на бесконечно малую величину превышает температуру высокотемпературного источни­ка тепловой энергии (Td — 7\ —» +0), рабочее тело приводят в контакт с этим источником. Дальнейший процесс сжатия d-a не вызывает роста температуры рабочего тела, поскольку из-за бесконечно малой разности температур рабочего тела и высокотемпературного источника энергии будет наблюдаться постоянный отток внутренней энергии в форме теплоты в этот источник (нагреватель).

Читайте также:  Самодельного взрывного устройства мощностью 250 г мощность

Таким образом, процесс сжатия d-a будет происходить изотермически (Ti = idem). В точке а цикл замыкается. В процессе изотермического сжатия d-a от рабочего тела в высокотемпературный источник энергии (нагреватель) будет отведена энергия в форме теплоты в количестве Q\. Поскольку обратный цикл Карно начался в точке а и закончился в ней, значения параметров рабочего тела в конце цикла равны их значениям в начале цикла, т. е.

Ркон == Рнач = Pa j

Так как Ткон = Тнач, то изменение внутренней энергии рабочего тела за цикл a-b-c-d-a равно нулю: AUa-b-c-d-a = fruv(TKOH — Тнач) = 0.

В изотермическом процессе сжатия d-a затрачивается энергия в меха­нической форме в количестве Wd-a• Эта энергия (работа) численно равна площади фигуры d-a-1-З.

В обратном цикле к рабочему телу подводится энергия в форме теплоты Q2 (в соответствии с правилом термодинамических знаков она имеет знак «плюс»), а отводится —Qi (имеет знак «минус»).

Сравнение площадей фигур c-d-a-l

1 (рис. 8.22) позволяет заключить, что в ходе обратного цикла к рабочему телу подводится больше энергии в механической форме, чем отводится от него в такой же форме:

Площадь c-d-a-1-4 > площадь a-b-c-A-1.

По этой причине результирующая работа цикла Wpe3 будет отрицатель­ной величиной. На основании выражения первого закона термодинамики (8.5) для обратного циклического процесса можно записать

AU = Q2-Q1-(-W) = Q2-Q1 + Wpe3 = Q. (8.52)

Так как в ходе циклического процесса внутренняя энергия рабочего тела не изменяется (AU 0), выражение (8.52) можно записать в виде

Qi = Q2 + Wpe3. (8.53)

Полученное выражение позволяет заключить, что высокотемператур­ному источнику передается больше энергии в форме теплоты, чем прини­мается от низкотемпературного источника.

Исходя из этих соотношений, на основании выражения (8.74) можно установить, что холодильный коэффициент г)хол тепловой машины Карно может быть большим 1, равным 1 и меньшим 1.

Выражение (8.74) справедливо только для холодильной машины. Из анализа зависимости (8.74) вытекает следующее:

• холодильный коэффициент цикла зависит от температур горячего и холодного источников и не зависит от природы рабочего тела;

• значение холодильного коэффициента цикла тем больше, чем меньше разность температур (Т2 — 7\) холодного и горячего источников;

• значение холодильного коэффициента может изменяться от 0 до беско­нечности;

• холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет максимальное значение в сравнении с другими циклами.

Циклы современных холодильных машин определяются назначением, глубиной охлаждения и свойствами используемого в них рабочего тела.

Q2 mRgTi In ^

Проанализируем на качественном уровне изменения, которые происхо­дят на нашей кухне при работе холодильника. В холодильник встроена теп­ловая машина, работающая по некоторому обратному циклу. В результате работы этой тепловой машины по обратному циклу тепловая энергия отби­рается из внутреннего пространства (холодильной камеры), являющегося

Низкотемпературным источником теплоты, и передается воздуху на кухне с помощью теплообменника, расположенного снаружи на задней стенке холодильника. Многие из личного опыта знают, что задняя стенка (там, как правило, расположен теплообменник) холодильника всегда теплее, чем окружающий воздух. От теплообменника теплота передается воздуху. Если бы кухня не проветривалась, а ее стенки имели идеальную тепло­вую изоляцию, вскоре можно было бы заметить существенное повышение температуры воздуха. Как правило, эти условия не выполняются, поэтому заметить повышение температуры воздуха не представляется возможным.

Целевое предназначение тепловой машины, установленной в холодиль­нике, состоит в понижении температуры в камере (охлаждении морозиль­ной камеры). Отсюда и происходит название — холодильник.

Несколько изменим планировку кухни. Поставим холодильник так, что­бы его двери открывались наружу квартиры (на улицу), а теплообменник (задняя стенка) находился внутри квартиры. Если включить холодильник и открыть его дверцу, то в холодильную камеру будет постоянно подводить­ся энергия в форме теплоты из окружающей среды (с улицы). Эта тепловая энергия через теплообменник будет переноситься внутрь квартиры. Если квартира имеет хорошую тепловую изоляцию, то температура воздуха в ней будет повышаться. При этом температура воздуха на улице не умень­шится ввиду значительных размеров окружающей среды. В этом случае тепловая машина, установленная в холодильнике, работает как тепловой насос, — повышает температуру воздуха в помещении за счет притока энергии в тепловой форме из окружающей среды (низкотемпературного источника тепловой энергии).

Читайте также:  Самогонный аппарат какая мощность тэна

Если тепловая машина, работающая по обратному циклу, используется в качестве теплового насоса, ее эффективность оценивается с помощью отопительного коэффициента.

Отопительный коэффициент характеризует эффективность передачи энергии высокотемпературному источнику энергии. Он определяется по формуле ^

Voron — 777— • (8.75)

Подставим выражения (8.62) и (8.64) в выражение (8.75), получим

ТДоГ2 In £ + тДоТх In £ VB Vd

Учитывая соотношения (8.71), выражение (8.76) можно представить в виде

Так как Т2 Т2 — Холодильные установки и тепловые насосы работают по циклу, в ко­тором осуществляется переход тепловой энергии от менее нагретых тел к более нагретым телам. Согласно второму закону термодинамики такой процесс возможен только при дополнительном компенсирующем процессе, в качестве которого используют переход энергии из механической формы в тепловую форму или переход энергии в форме теплоты от какого-нибудь горячего тела к холодному. В обоих случаях присутствуют затраты энер­гии, полученной извне по отношению к данной установке.

В зависимости от применяемого хладагента холодильные установки делятся на две основные группы:

• газовые (воздушные), в которых хладагент находится в состоянии, удаленном от состояния насыщения;

• паровые, в которых хладагент (пар) находится в состоянии, близком к состоянию насыщения.

В зависимости от температуры, которая должна быть достигнута при охлаждении, различают холодильные установки умеренного холода (темпе­ратура до —70° С) и установки глубокого холода (температура до —200° С и ниже). Последние, как правило, используются для сжижения воздуха и других газов.

Установки, в которых энергия для получения холода затрачивается в виде механической работы на привод компрессора, называются компрес­сорными, а установки, в которых энергия затрачивается в форме теплоты на термохимическую компрессию, — абсорбционными.

В заданном интервале температур теоретически наиболее выгодным циклом холодильной установки является обратный цикл Карно, но из-за конструктивных трудностей и больших потерь на трение обратный цикл Карно реально неосуществим. Он служит некоторым эталоном, с которым сравнивают эффективность действительных циклов холодильных машин.

В промышленных масштабах холод впервые был получен с помощью воздушных компрессорных холодильных машин.

Комментарии к записи Цикл холодильной машины Карно. Принцип работы холодильника отключены

Источник



Методика расчета холодильной машины

Тепловой расчет холодильной машины сведен в таблицу.

Определяемая величина Формула Обозначение
Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг i1,i4 — энтальпия в соответствую-щих точках цикла, кДж/кг
Удельная объемная холодопроиз- водительность, кДж/м 3 v1 — удельный объем паров хлада- гента на входе в компрессор, м 3 /кг
Удельная теоретическая (адиабатная) работа компрессора, кДж/кг i2 — энтальпия в конце процесса адиабатного сжатия хладагента в компрессоре, кДж/кг
Количество циркулирующего хладагента, кг/с Qо — заданная холодопроизводительность, кВт
Объем паров хладагента, отсасываемый компрессором в единицу времени, м 3 /с
Коэффициент подачи компрессора lс — коэффициент, отражающий влияние мертвого объема
Коэффициент, отражающий влияние мертвого объема w — коэффициент, учитывающий объемные потери С — относительная величина мертвого объема, принимаемая в зависимости от типа и размеров компрессора, конструкции клапанов и режима работы равной 0,015. 0,04 отношение давлений конденсации и кипения m — показатель политропы расширения «остаточного газа» из мертвого объема, принимают равным 1,1 для амиака и 1,0 — для фреона
Коэффициент, учитывающий объемные потери Т — отношение температу кипения и конденсации
Объем, описываемый поршнями компрессора, м 3 /с
Теоретическая (адиабатная) мощность компрессора, кВт
Индикаторная мощность компрессора, кВт hi — индикаторный КПД компрессора
Индикаторный КПД компрессора b = 0.001 — для аммиачных машин b = 0,0025 — для фреоновых
Мощность, затрачиваемая на трение, кВт Ртр — так называемое «среднее давление», равное (0,3. 0,5)×10 2 кПа — для фреонов; (0,5..0,7)×10 2 кПа — для аммиака
Эффективная мощность (мощность на валу компрессора), кВт
Электрическая мощность, потребляемая (т. е. подводимая к электродвигателю), кВт hэл.д — КПД электрического двигателя, выбирается по каталогу на электродвигатели в зависисости от его типа и мощности Nв; hэл.д » 0,75. 0,85 hпер — КПД механической передачи для клиноременной; hпер = 0,97. 0,98
Теоретический холодильный коэффициент
Теоретическая степень термодинамического совершенства eк — холодильный коэффициент соответственного цикла Карно
Холодильный коэффициент соответственного цикла Карно Если Тком и Тс неизвестны, то приближенно Тк — температура овздуха в охлаждаемой камере Т — температура окружающей среды
Действительный холодильный коэффициент
Действительная степень термодинамического совершенства
Читайте также:  Мощность ниссан патфайндер 2 5 дизель

Потребная холодопроизводительность Q определяется из расчета теплопритоков с учетом потерь теплоты в трубопроводах. Для систем непосредственного охлаждения аммиака Q =1,07SQ, для систем с промежуточным хладоносителем Q = 1.12SQ.

Если в паспортных данных приводится холодопроизводительность компрессора при одном температурном режиме, то холодопроизводительность в нужном режиме можно определиь по формуле

(6.3.1)

где Q, l, qv — соответственно холодопроизводительность, коэффициент подачи компрессора и объемная холодопроизводительность по паспортному режиму; Q0 раб, lраб и qv раб — соответственно холодопроизводительность компрессора, коэффициент подачи и объемная холодопроизводительность при режиме, отличном от паспортного; , кДж/м 3 .

Источник

Цикл холодильной машины

Цикл холодильной машиныЛюбой механизм с охлаждением: холодильник, кондиционер – работают циклично. Наиболее часто цикл холодильной машины – компрессионный.

Принцип работы охлаждающего оборудования (кондиционера) состоит в изменении параметров воздуха, придания ему определенных дополнительных опций: влажности, температуры, направления. При этом основная опция: охлаждение — обеспечивается постоянной циркуляцией, конденсацией и кипением хладагента в циклично-замкнутой системе. Хладагент кипит при низкой температуре и давлении, конденсация происходит, когда высокая и температура, и давление.

Цикл холодильной машины схема

Первая фаза – выход испарителя, находящегося в парообразном состоянии, характеризующимся низкой температурой и таким же давлением. Компрессор, повышает температуру и поднимает давление, переводя пар в жидкость. Различают компрессоры с водяным и воздушным охлаждением. Следующая фаза – жидкий хладагент, имея высокую температуру и давление, передается в регулятор потока, где давление быстро понижается, а часть жидкости, превращаясь в пар, испаряется. В испарителе, следующем звене, паро -водяная смесь кипит, переходя вновь в пар. Пар, выходя из испарителя, возобновляет процесс охлаждения вновь.

Важно: Испаритель выбирается так, чтобы жидкая фаза полностью там испарилась.

Таким образом, цикличность заключается в постоянной круговой циркуляции хладагента с изменением физического состояния от жидкости к пару и наоборот. Все холодильные машины работают по разному, общее в работе одно – они работают по циклам.

Цикл Карно холодильной машины

Цикличность – основа цикла Карно. Теоретически, такой процесс – идеален с точки зрения термодинамики. Механическая работа выполняется за счет теплообмена резервуаров с разными температурными режимами, но постоянными во времени. Более высокотемпературный резервуар называется нагревателем, низкотемпературный – холодильником.

Идеальность таких процессов обеспечивается малой скоростью циркуляции, поэтому мощность в цикле Карно нулевая. Реальные машины не могут иметь нулевую мощность. Поэтому процессы, происходящие в настоящих механизмах только в какой-то степени могут приближаться к циклу Карно.

Для кондиционеров характерен обратный цикл Карно — холодильная машина проводит цикличный процесс в противоположную сторону. Тепло выходя из холодильника передается нагревателю, используя внешние силы. Можно говорить, что цикличность Карно — идеальный цикл холодильной машины или кондиционера.

Процесс охлаждения в реальности и теории

Теоретический цикл работы холодильной машины значительно отличается от работы холодильных установок в обычной жизни. При работе реальных холодильников и кондиционеров происходят значительные потери давления на входе, выходе, увеличение сжатия, что автоматически снижает эффективность работы.

Сконструировать хладоустановку , имеющую обратимый цикл паровой холодильной машины (Карно) невозможно. В природе нет обратимых процессов. Однако его можно считать эталоном экономически выгодного цикла, к которому надо стремиться.

Источник