Цикл холодильной машины
Любой механизм с охлаждением: холодильник, кондиционер – работают циклично. Наиболее часто цикл холодильной машины – компрессионный.
Цикл холодильной машины схема
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.
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.
Почему холодильная машина не может работать по циклу карно
Предположим для простоты, что необратимость цикла обусловлена тем, что теплообмен между рабочим телом и источником теплоты (считаем холодильник тоже «источником», только отрицательной температуры) происходит при конечных разностях температур, т.е. нагреватель, отдавая тепло, охлаждается на ∆T, а холодильник нагревается на ΔТ.
Любой процесс, не удовлетворяющий условию обратимости, мы называем необратимым процессом. Примером необратимого процесса является процесс торможения тела под действием сил трения. При этом скорость тела уменьшается, и оно останавливается. Энергия механического движения тела расходуется на увеличение энергии хаотического движения частиц тела и окружающей среды. Происходит диссипация энергии. Для продолжения движения необходим компенсирующий процесс охлаждения тела и среды. В нашем случае тепловых машин, нагреватель и холодильник – не идеальны, они не обладают бесконечной теплоёмкостью и в процессе работы получают или отдают добавочную температуру ΔТ.
На рисунке 5.6 изображен один из таких необратимых циклов.
Для обратимого цикла Карно
Холодильная машина
Холодильная машина – это машина, работающая по обратному циклу Карно (рис. 5.4). То есть если проводить цикл в обратном направлении, тепло будет забираться у холодильника и передаваться нагревателю (за счет работы внешних сил).
Обратный цикл Карно можно рассмотреть на примере рис. 5.5. При изотермическом сжатии В–А, от газа отводится количество теплоты Q1 при Т1. В процессе изотермического расширения D–С к газу подводится количество теплоты Q2.
В этом цикле 
, 
и работа, совершаемая над газом, отрицательна, т.е.
Для холодильных машин, работающих по циклу Карно
Доступны следующие дополнительные демонстрации: 1. Гидравлическая машина. 2. Гидростатическое давление.
Цикл Карно. Идеальных машин в реальной жизни не существует, это всего лишь мысленный конструкт
Идеальных машин в реальной жизни не существует, это всего лишь мысленный конструкт. Каждая из таких гипотетических машин, среди которых двигатель Карно занимает немаловажное место, иллюстрирует какое-нибудь важное теоретическое заключение. (Даже воздушный замок под названием вечный двигатель служит, по сути, лишь для того, чтобы показать: нельзя получать энергию из ничего.) Двигатель Карно, лежащий в основе работы идеального теплового двигателя, был придуман французским инженером Сади Карно за двадцать лет до того, как были сформулированы основы термодинамики, однако он иллюстрирует важное следствие из второго начала термодинамики.
Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Поршень может свободно перемещаться между двумя тепловыми резервуарами — с высокой температурой и с низкой температурой. (Для удобства представим, что горячий тепловой резервуар нагревается посредством сжигания смеси бензина с воздухом, а холодный — остужается водой или воздухом комнатной температуры.) В этой тепловой машине происходит следующий идеальный четырехфазный цикл:
1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.
Двигатель Карно имеет много общего с реальными двигателями: он работает по замкнутому циклу (который называется, соответственно, циклом Карно); он получает энергию извне благодаря высокотемпературному процессу (например, при сжигании топлива); часть энергии рассеивается в окружающую среду. При этом производится определенная работа (в случае двигателя Карно — за счет поступательного движения поршня). КПД, или эффективность двигателя Карно определяется как отношение работы, которую он производит, к энергии (в форме тепла), отнятой у горячего резервуара. Нетрудно доказать, что эффективность (E) выражается формулой:
где Тc и Тh — соответственно температура холодного и горячего резервуаров (в кельвинах). Очевидно, что эффективность двигателя Карно меньше 1 (или 100%).
Великое прозрение Карно состоит в том, что он показал, что ни один тепловой двигатель, работающий при двух заданных температурах, не может быть эффективнее идеального двигателя Карно (это утверждение называют теоремой Карно). В противном случае мы столкнулись бы с нарушением второго начала термодинамики, поскольку такой двигатель отбирал бы тепло от менее нагретого резервуара и передавал бы его более нагретому. (На самом деле, второе начало термодинамики является следствием теоремы Карно.) Таким образом, полученное Карно соотношение устанавливает предел эффективности реальных двигателей, работающих в реальном мире. К нему можно приблизиться, но достичь и, тем более превзойти его инженеры не смогут. Так что, чисто гипотетический двигатель Карно играет немаловажную роль в мире реальной, шумной и пахнущей разогретым машинным маслом техники, и это еще один пример прикладного значения чисто теоретических, на первый взгляд, изысканий.
На данной диаграмме представлен некий замкнутый цикл. Система последовательно переходит из точки 1 в 2 затем 3, 4 и снова в 1. Из графика видно что процесс 1® 2 является изотермическим (происходит при Т1) и процесс 3® 4 также является изотермическим (происходит при T2)
Процессы 2® 3 и 4® 1 являются адиабатными. Поскольку в них не происходит изменение энтропии то dS = 0 следовательно dQ = 0 или Q = const.
Количество тепла подводимое к системе:
Количество тепла отдаваемое системой:
Важным следствием из формулы для КПД цикла Карно является то, что для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру подвода тепла T1, и снижать температуру отвода тепла T2.
При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия.
Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).
3. Цикл работы холодильной машины (к занятию №16)
Холодильная машина – это машина, работающая по обратному циклу Карно. То есть если проводить цикл в обратном направлении, тепло будет забираться у холодильника и передаваться нагревателю (за счет работы внешних сил).
В холодильных установках перенос тепла от среды с более низкой температурой к среде с более высокой температурой осуществляется с помощью рабочего тела, называемого хладагентом.
Получение холода происходит по круговому процессу, или циклу, в котором процесс отнятия тепла от охлаждаемой среды сопровождается компенсирующим процессом – подводом энергии (например, при сжатии паров хладагента в компрессоре).
Процесс переноса тепла от менее нагретого тела к более нагретому при затрате механической работы называется обратным циклом Карно. Цикл состоит из следующих процессов:
1-2 – адиабатическое сжатие парообразного хладагента (конечная температура сжатия Т);
2-3 – изотермическая конденсация паров холодильного агента при температуре Т с отдачей окружающей среде (например, воде) теплоты конденсации Q;
3-4 – адиабатическое расширение жидкого хладагента (конечная температура расширения То);
4-1 – изотермическое испарение жидкого хладагента при температуре То с отнятием отохлаждаемой среды теплоты испарения Qо.
Такой цикл осуществим лишь при условии постоянства энтропии системы. Поэтому если при испарении хладагента энтропия охлаждаемой среды уменьшается на Qo/Tо, то на такое же значение должна возрасти энтропия более нагретой среды (воды), которой передается тепло Qo, отнятое отохлаждаемой среды, и тепло, эквивалентное работе Lк, затраченной на сжатие хладагента. В результате возрастание энтропии более нагретой среды составляет (Qо + Lк)/T.
Согласно энергетическому балансу
Отсюда работа, которую необходимо затратить в холодильной установке, работающей по обратному циклу Карно
Тепло Qo, отнимаемое холодильным агентом отохлаждаемой среды при температуре То
Второе начало термодинамики. Невозможность создания вечных двигателей. Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы. Тепловые машины. Цикл Карно.
Пусть в результате некоторого процесса система (ТДС) переходит из состояния 1 в состояние 2. Все процессы перехода системы можно разделить на два вида: 1) обратимые 2) и необратимые процессы.
Процесс 1→2 называется обратимым, если можно осуществить обратный переход 2→1 через те же промежуточные состояния в исходное состояние таким образом, чтобы состояние системы и тел вне системы осталось неизменным.
Процесс 1→2 называется необратимым, если после обратного процесса 2→1 в окружающих систему телах, либо в самой системе произошли какие-то изменения.
Отсутствие изменений в окружающей систему среде, является важной особенностью обратимого процесса. Если в ходе обратимого процесса система выполнила работу A за счет количества теплоты Q, полученного от окружающих ее тел, то при возвращении в первоначальное состояние, она должна отдать окружающим телам такое же количество теплоты Q и над ней должна быть выполнена такая же работа A.
Любой процесс, сопровождающийся трением, является необратимым, потому что в результате трения часть механической энергии переходит в теплоту, которая идет на нагревание трущихся тел. Это тепло рассеивается в окружающей среде и трущиеся, тела не могут сами по себе отдать это тепло в обратном процессе перехода.
Необратимыми являются процессы, сопровождающиеся явлением теплопередачи, потому что переход теплоты от холодного тела к горячему не может происходить самопроизвольно. Для осуществления таких процессов требуется работа со стороны внешних тел, что приводит к изменениям в их состоянии, при этом утрачивается условие обратимости.
Необратимым является также процесс расширения газа в пустоту. При этом газ не испытывает сопротивления и не выполняет работу. Однако собрать газ обратно в сосуд без выполнения работы внешними телами невозможно.
Очевидно, что обратимыми могут быть только равновесные (квазистатические) процессы. При протекании равновесных процессов каждое промежуточное состояние является равновесным (состояние термодинамического равновесия) и, поэтому процесс может протекать в обратном направлении так, что в окружающих систему телах не останется никаких изменений. Обратимыми можно считать все изопроцессы.
I начало термодинамики устанавливает количественные соотношения между теплотой, работой и изменением внутренней энергии. Однако оно не указывает направление протекания процессов и не отвечает на вопрос о возможности протекания того либо иного процесса.
Согласно первому началу термодинамики в изолированной системе возможен процесс самопроизвольного перехода теплоты от холодного тела к горячему, главное чтобы при этом выполнялось равенство:
где Q1 – количество теплоты, отданное первым телом, Q2 – количество теплоты, полученное вторым телом.
Однако многочисленные опыты показывают, что теплота самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному и никогда самопроизвольно наоборот.
Существует множество процессов в природе, которые самопроизвольно протекают только в строго определенном направлении: диффузия, расширение газа в пустоту, остывание нагретого тела и т.д.
I начало термодинамики не запрещает протекание этих процессов в обратном направлении, главное, чтобы при этом, не нарушался закон сохранения энергии.
Ответ на вопрос о возможности протекания того или иного процесса, о направлении протекания процессов дает второе начало термодинамики. II начало термодинамики, как и I начало, является обобщением многочисленных опытов.
II начало термодинамики – фундаментальный закон природы. Он охватывает все явления, которые связаны с обменом энергией и имеет глубокие практические и философские следствия.
Разные авторы по-разному формулировали второе начало термодинамики, но смысл этих формулировок один и тот же.
Клаузиус: 1) Теплота не может сама собой перейти от менее нагретого тела к более нагретому. 2) Энтропия любой изолированной системы стремится к максимуму.
Кельвин (Томсон): Нельзя построить тепловую машину, которая превращала бы в работу теплоту наиболее холодного тела в системе.
Планк: Нельзя построить периодически действующую машину, единственным результатом работы которой было бы превращение теплоты в работу (важно периодически, т.к. при изотермическом процессе ΔU12 = 0 и Q12 = A12, но это будет однократный процесс).
Оствальд: Невозможно построить вечный двигатель второго рода.
Карно: Коэффициент полезного действия (КПД) идеальной тепловой машины не зависит от рода рабочего тела и определяется только температурами теплоотдатчика и теплоприемника.
Процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, но запрещаемые вторым законом: 1 – «вечный двигатель второго рода»; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому («идеальная холодильная машина»).
Практически все формулировки II начала термодинамики касаются тепловой машины. Рассмотрим принцип ее действия.
Процесс, при котором ТДС после ряда изменений состояния возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом или циклом.
Тепловая машина это устройство, многократно выполняющее какой-либо круговой процесс и преобразующее теплоту в работу.
Работа, которая выполняется при круговом процессе, численно равна площади, охватываемой кривой, описывающей этот цикл (рис.1).
Рис.1. Термодинамический цикл тепловой машины
Эта работа положительная при прямом цикле 1a2b1 и отрицательная при обратном цикле 1b2a1. Любая тепловая машина независимо от ее конструкции состоит из трех основных частей: нагреватель, рабочее тело, холодильник.
Принцип действия тепловых машин заключается в следующем. Нагреватель передает рабочему телу теплоту, вызывая повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим устройством, например, приводит во вращение турбину или перемещает поршень в цилиндре и далее отдает холодильнику теплоту, возвращаясь в исходное состояние.
Машина, в которой рабочим телом служит идеальный газ, называется идеальной тепловой машиной. Тепловые машины могут работать по прямому или обратному циклу.
Рассмотрим схему машины, работающей по прямому циклу рис.2.
Рис.2. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.
Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q1. При этом оно расширяется по кривой 1a2 (рис.1) и выполняет работу A. Чтобы цикл замкнулся рабочее тело необходимо перевести в первоначальное состояние 1. Для этого его надо сжать. Для сжатия необходимо совершить над рабочим телом работу. Для того чтобы работа, выполняемая при сжатии, была меньше, чем работа, выполненная при расширении, сжатие необходимо вести по кривой 2b1. Следовательно, сжатие надо вести при более низкой температуре, чем температура нагревателя T1. Поэтому необходимо отнять у рабочего тела часть тепла Q2 и передать ее холодильнику. В результате кругового процесса изменение внутренней энергии рабочего тела будет равно нулю:
Тогда согласно I началу термодинамики работа, совершенная рабочим телом за цикл равна разности подведенной и отведенной теплоты:
(1)
Экономичность работы тепловых машин характеризуется коэффициентом полезного действия КПД, который показывает, какая часть полученной теплоты преобразовалась в работу. КПД равен отношению работы A, выполненной за цикл к количеству теплоты, полученной машиной за цикл:
(2)
Рассмотрим работу тепловой машины по обратному циклу
Рис.3. Схема работы холодильной машины.
В этом случае рабочее тело расширяется вдоль кривой 1b2, при этом выполняется положительная работа A1b2 численно равная площади под кривой 1b2. При сжатии рабочее тело возвращается в первоначальное состояние вдоль кривой 2a1, при этом над ним совершается отрицательная работа A2a1 численно равная площади под кривой 2a1. Суммарная работа за цикл:
Это значит, что внешние силы совершают работу над рабочим телом. Такой круговой процесс называется обратным. В результате обратного цикла некоторое количество теплоты забирается у холодильника и передается нагревателю за счет работы внешних сил. Расширение рабочего тела происходит при более низкой температуре, чем сжатие. В результате некоторое количество теплоты забирается у холодного тела и передается горячему за счет работы внешних сил. Машина, которая работает по такому циклу, называется холодильной.
За счет работы внешних сил машина отдает больше тепла, чем получает:
(3)
Работа такой машины характеризуется холодильным коэффициентом:
(4)
где Q2 – теплота, отнятая от холодного тела, A – работа, выполненная над рабочим телом за цикл. Холодильный коэффициент больше единицы (тепловые насосы).
Теоретический анализ работы идеальной тепловой машины провел французский ученый Сади Карно в 1824 году. Он предложил круговой процесс (цикл) для работы идеальной тепловой машины, который складывается из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называется циклом Карно. Цикл Карно сыграл важную роль в развитии теплотехники и термодинамики. Анализ этого цикла позволил улучшить работу тепловых машин, повысить их КПД.
Прямой цикл Карно складывается из четырех последовательных равновесных процессов рис.4.
Определим работу, выполненную идеальным газом за один цикл Карно. При изотермическом процессе 1→2 T1 = const, ΔU12 = 0 и, согласно I началу термодинамики газу надо передать от нагревателя количество теплоты Q1, равное работе, которую газ выполняет при расширении:
(5)
При адиабатном процессе 2→3, Q23 = 0, температура газа понижается до T2, работа при расширении газа выполняется за счет уменьшения его внутренней энергии. Согласно I началу термодинамики:
Отсюда следует, что:
(6)
Изотермическое сжатие газа 3→4 выполняется за счет работы ты внешних сил. Чтобы температура газа осталась постоянной от него надо отнять количество теплоты Q2 и передать ее холодильнику. Для изотермического процесса T2 = const, ΔU23 = 0 и, согласно I началу термодинамики:
(7)
Дата добавления: 2015-05-21 ; просмотров: 2608 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ