Холодильная машина
Рис. 1. Холодильная машина
Отдельным подвидом тепловых машин являются, так называемые, холодильные машины. Холодильная машина — тепловая машина, работающая по обратному циклу, т.е. круговому циклу, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу. Визуализации таких машин условно одинакова (рис. 1).
Классически, холодильная машина состоит нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов может инженерно выглядит как угодно, рабочее тело чаще всего газ. Рабочее тело, совершая работу ( ), забирает энергию у холодильника ( ) и передаёт её нагревателю ( ). Нагревателем в данной системе также может быть окружающее пространство. Примером такой холодильной машины может служить обычных домашний холодильник. Электрический ток совершает работу по охлаждению внутренней камеры холодильника, передавая избыток теплоты на внешний радиатор (ребристая стенка из прутьев на задней стенке холодильника).
Тогда, исходя из закона сохранения энергии:
Аналогом КПД (коэффициента полезного действия) для холодильной установки является холодильный коэффициент. Логика у него точно такая же: отношение полезной работы к затраченной. Полезной теплотой в нашей системе является (т.к. нам необходимо охладить тело), тратим вы внешнюю работу ( ). Тогда:
Вывод: задачи на холодильную машину вводятся именной этой фразой. Единственное соотношение, которое может помочь в решении таких задач, это соотношение (1). Поиск соответствующих энергий чаще всего вопрос первого начала термодинамики и анализа процессов.
КПД теплового двигателя с формулой
Вы будете перенаправлены на Автор24
Исторически появление термодинамики как науки было связано с практической задачей создания эффективного теплового двигателя (тепловой машины).
Тепловая машина
Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу за счет поступающей к двигателю теплоты. Данная машина является периодической.
Тепловая машина включает в себя следующие обязательные элементы:
Рисунок 1. Цикл работы тепловой машины. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
На рис.1 изобразим цикл, по которому может работать тепловая машина. В этом цикле:
Для того чтобы получить работу, которую выполняет газ, большей чем ноль, давление (следовательно, температура) в процессе расширения должно быть больше, чем в процессе сжатия. С этой целью газ в процессе расширения теплоту получает, а при сжатии у рабочего тела тепло отбирают. Отсюда сделает вывод о том, что кроме рабочего тела в тепловом двигателе должны присутствовать еще два внешних тела:
Готовые работы на аналогичную тему
Для организации повторных циклов тепловой машины необходимо, чтобы она часть своей теплоты отдавала холодильнику. Данное требование находится в согласии со вторым началом термодинамики:
Невозможно создать вечный двигатель, который периодически трансформировал полностью теплоту, получаемую от некоего источника полностью в работу.
КПД тепловой машины
Понятно, что насколько эффективно работает тепловая машина, следует оценивать, учитывая полноту превращения теплоты, полученной от нагревателя в работу рабочего тела.
Параметром, который показывает эффективность теплового двигателя, является коэффициент полезного действия (КПД).
КПД теплового двигателя называют отношение работы, выполняемой рабочим телом ($A$) к количеству теплоты, которое это тело получает от нагревателя ($Q_1$):
Принимая во внимание выражение (2) КПД тепловой машины найдем как:
Соотношение (4) показывает, что КПД не может быть больше единицы.
КПД холодильной машины
Обратим цикл, который отображен на рис. 1.
Обратить цикл – это значит, изменить направление обхода контура.
Эффективность нашего холодильника определяется коэффициентом, который вычисляют как:
КПД обратимой и необратимой тепловой машины
КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем КПД обратимой машины, при работе машин с одинаковыми нагревателем и холодильником.
Рассмотрим тепловую машину, состоящую из:
Работа, которую выполнят рабочее тело за цикл, равна:
Для выполнения условия обратимости процессов их надо проводить очень медленно. Кроме этого необходимо, чтобы отсутствовало трение поршня о стенки сосуда.
Выполним тот же цикл с большой скоростью и при наличии трения. Если провести расширение газа быстро, давление его около поршня будет меньше, чем если газ расширяют медленно, поскольку возникающее под поршнем разрежение распространяется на весь объем с конечной скоростью. В этой связи, работа газа в необратимом увеличении объема меньше, чем в обратимом:
Если выполнить сжатие газа быстро давление около поршня больше, чем при медленном сжатии. Значит, величина отрицательной работы рабочего тела в необратимом сжатии больше, чем в обратимом:
Трение, имеющееся в необратимом тепловом двигателе, ведет к переходу части работы выполненной газом в теплоту, что уменьшает КПД двигателя.
Так, можно сделать вывод о том, что коэффициент полезного действия теплового двигателя обратимой машины больше, чем необратимой.
Тело, с которым обменивается теплом рабочее тело, станем называть тепловым резервуаром.
Обратимая тепловая машина совершает цикл, в котором имеются участки, где рабочее тело совершает обмен теплотой с нагревателем и холодильником. Процесс обмена теплом является обратимым, только если при получении теплоты и возвращении ее при обратном ходе, рабочее тело обладает одной и той же температурой, равной температуре теплового резервуара. Если говорить более точно, то температура тела, которое получает теплоту, должная быть на очень малую величину менее температуры резервуара.
Таким процессом может быть изотермический процесс, который происходит при температуре резервуара.
Для функционирования теплового двигателя у него должно быть два тепловых резервуара (нагреватель и холодильник).
Обратимый цикл, который выполняется в тепловом двигателе рабочим телом, должен быть составлен из двух изотерм (при температурах тепловых резервуаров) и двух адиабат.
Адиабатические процессы происходят без обмена теплом. В адиабатных процессах происходит расширение и сжатие газа (рабочего тела).
Какой процент КПД у холодильника
Одним из важных параметров работы любого устройства, для которого особое значение имеет эффективность преобразования энергии, является коэффициент полезного действия. По определению, полезность оборудования определяется формулой соотношения полезно используемой энергии к максимальной и выражается в виде коэффициента η. Это в упрощенном понимании и есть искомый коэффициент, КПД холодильника и нагревателя, который можно найти в любой технической инструкции. При этом нужно знать некоторые технические моменты.
Коэффициент полезного действия устройства и комплектующих
Коэффициент полезного действия, который интересует чаще читателей, будет касаться не всего холодильного устройства. Чаще всего – установленного компрессора, который обеспечивает нужные параметры охлаждения, или двигателя. Именно поэтому, задаваясь вопросом, какой КПД холодильника, рекомендуем поинтересоваться установленным компрессором и количеством процентов.
КПД двигателя вашего холодильного устройства связан с мощностью и энергопотреблением. Очевидно, что чем меньше коэффициент, тем больше количество электричества модель потребляет, тем менее оно эффективно. То есть максимальный коэффициент можно косвенно определить по классу энергопотребления – А+++.
Коэффициент полезности компрессора выше 1 – как и почему?
Часто вопрос полезного коэффициента действия волнует людей, которые немного помнят школьный курс физики, и не могут понять, почему полезное действие больше 100%. Этот вопрос требует небольшого экскурса в физику. Вопрос касается, может ли коэффициент полезности теплового генератора быть больше 1?
Компрессор с указанными параметрами
Этот вопрос среди профессионалов явно был поднят в 2006 году, когда в «Аргументах и фактах» номер 8 было опубликовано, что вихревые теплогенераторы способны давать 172%. Несмотря на отголоски знаний по курсу физики, где КПД всегда меньше 1, такой параметр возможен, но при определенных условиях. Речь идет именно о свойствах цикла Карно.
В 1824 году французским инженером С. Карно был рассмотрен и описан один круговой процесс, который впоследствии сыграл решающую роль в развитии термодинамики и использовании тепловых процессов в технике. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.
Он совершается газом в цилиндре с поршнем, а коэффициент полезности выражается через параметры нагревателя и холодильника и составляет соотношение. Особенностью является тот факт, что тепло может переходить между теплообменниками и без совершения работы поршнем, по этой причине цикл Карно считается самым эффективным процессом, который можно смоделировать в условиях необходимого теплообмена. Иными словами полезное действие холодильной установки при реализованном цикле Карно будет самым высоким или точнее сказать максимальным.
Если эту часть теории помнят многие из школьного курса, то остальное часто теряется за кадром. Основной смысл в том, что данный цикл может быть пройден в любом направлении. Тепловой двигатель обычно работает по прямому циклу, а холодильные установки – по обратному, когда теплота уменьшается в холодном резервуаре и передается горячему за счет внешнего источника работы – компрессора.
Ситуация, когда коэффициент полезности больше 1, возникает, если он вычисляется из другого коэффициента полезности, а именно соотношением W(полученной)/W(затраченной) при одном условии. Оно состоит в том, что под затраченной энергией понимается только полезная энергия, которая используется на реальные затраты. В итоге, в термодинамических циклах тепловых насосов можно определить затраты энергии, которые будут меньше объема производимой теплоты. Таким образом, при полезном оборудования меньше 1, КПД теплового насоса может быть больше.
Термодинамический коэффициент полезного действия всегда меньше 1
В холодильных (тепловых) машинах по формуле обычно рассматривается термодинамический КПД и холодильный коэффициент. В холодильных агрегатах этот коэффициент подразумевает эффективность цикла получения полезной работы при подводе к рабочему устройству теплоты от внешнего источника (теплоотдатчика) и отводе на другом участке цепи тепла с целью передачи другому внешнему приемнику.
Две модели холодильника
В совокупности рабочее тело совершает два процесса – расширения и сжатия, которым соответствует параметр работы. Наиболее эффективным устройством считается, когда подведенная теплота меньше отведенной – тем будет более выраженной эффективность цикла.
Степень совершенства термодинамического прибора, преобразовывающим теплоту в механическую работу, оценивается термическим коэффициентом в процентах, который может интересовать в данном случае. Термический КПД обычно составляет и показывает, какое количество тепла нагревателя и холодильника машина преобразует в работу в конкретных условиях, которые считаются идеальными. Значение термического параметра всегда меньше 1 и не может быть выше, как это в случае с компрессорами. При 40° температуре устройство будет работать с минимальной эффективностью.
В итоге
В современных бытовых холодильных установках применяется именно обратный процесс Карно, при этом температура холодильника можно определить в зависимости от количества теплоты, переданного от нагревающего элемента. Параметры охлаждающей камеры и нагревателей могут быть на практике совершенно разными, а также зависящими от внешней работы двигателя с компрессором, имеющим свой параметр полезности действия. Соответственно, данные параметры (КПД холодильника в процентах) при принципиально одинаковом термодинамическом процессе, будут зависеть от технологии, реализованной производителем.
Так как по формуле коэффициент полезности зависит от температур теплообменников, то в технических параметрах указывается, какой процент полезности можно получить при некоторых идеальных условиях. Именно эти данные можно использовать для сравнения моделей разных марок не только по фото, в том числе, работающих в нормальных условиях или при жаре до 40°.
§ 38. Работа холодильной машины
Принцип работы холодильной машины
1. В тепловых двигателях работа совершается за счёт энергии, полученной от нагревателя. При этом количество теплоты, полученное от нагревателя, частично идёт на совершение работы, а частично передаётся холодильнику.
Возникает вопрос, как осуществить обратный процесс, т. е. как передать энергию от менее нагретого тела более нагретому. Второй закон термодинамики запрещает такой процесс, если он единственный. Однако он возможен, если совершается за счёт работы внешних сил.
Процесс передачи энергии от холодного тела к горячему происходит в холодильных машинах. Принципиальная схема холодильной установки изображена на рисунке 104. От холодильной камеры количество теплоты Q2 поступает к рабочему телу и при совершении внешними силами работы А нагретому телу передаётся количество теплоты Q1. Таким образом, Q1 = Q2 + А.
Эффективность холодильной машины определяется возможностью забрать большее количество теплоты от холодильной камеры за счёт меньшей работы внешних сил, т. е. КПД холодильной машины равен:
Идеальная холодильная машина работает по обратному циклу Карно. Рабочее тело проходит в этом случае все те состояния, что и в прямом цикле, но только в обратном направлении.
КПД идеальной холодильной машины равен:
Компрессорная холодильная машина
2. Рассмотрим работу компрессорной холодильной машины. В ней в качестве рабочего тела обычно используют пары жидкостей, кипящих при низких температурах: аммиак, фреон и т. п.
Компрессор нагнетает пары аммиака под высоким давлением в змеевик А (рис. 105). При сжатии пары аммиака нагреваются и в сосуде В они охлаждаются водой. Вода при этом получает количество теплоты Q2, а пары аммиака превращаются в жидкость. Из змеевика А аммиак через вентиль поступает в змеевик С (испаритель). Часть аммиака здесь испаряется, и его температура понижается до 10 °С. Из испарителя аммиак отсасывается компрессором.
Тепловые и холодильные машины
Тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые турбины и др.) предназначены для получения полезной работы за счёт теплоты, выделяемой вследствие сгорания топлива, ядерных превращений, нагрева солнечными лучами или по другим причинам. Ниже приведена условная схема тепловой машины (а) и её термодинамический цикл (б).
В качестве холодильника часто выступает окружающая среда. В космических энергоустановках окружающая среда отсутствует и необходим специальный холодильник-излучатель.
Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Вычисляемая по первому началу термодинамики величина QXявляется отрицательной т.к. это количество теплоты поступает не к рабочему телу, а от него к холодильнику.
В соответствии с первым началом внутренняя энергия за цикл (круговой процесс) не изменяется. Совершённая рабочим телом механическая работа равна разности подведённой и отведённой теплоты:
.
Тепловой коэффициент полезного действия (КПД) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты, переданной рабочему телу от нагревателя:
.
В холодильной машине внешние тела совершают работу А ’ над рабочим телом и происходит отвод теплоты QОХЛ от охлаждаемого тела и передача теплоты QТР (величина отрицательная)тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.
Холодильный коэффициент холодильной машины определяют как отношение отведённого от охлаждаемого тела количества теплоты к затраченной для этого механической работе А * :
.
Холодильный коэффициент холодильной машины в отличие от КПД тепловой машины может быть как больше, так и меньше единицы.
Холодильная машина может использоваться не только для охлаждения различных предметов, но и как тепловой насос для отопления помещений. В этом случае тепловым резервуаром является обогреваемое помещение, а теплота QОХЛотводится из менее нагретой окружающей среды. Термодинамические циклы холодильной машины и теплового насоса совпадают.
КПД теплового насоса определяют как отношение полученного нагреваемым помещением количества теплоты к затраченной для этого механической работе:
.
Видно, что КПД теплового насоса обязательно должен быть больше единицы.
Преимущество теплового насоса по сравнению с обычным электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды.