Циклы холодильной установки и теплового насоса

В циклах этого типа Qc — тепловая энергия, которая в течение цикла передается в систему от холодного тела; Qn — это тепловая энергия, передаваемая от системы горячему телу. Для того чтобы осуществить в цикле такую операцию, над системой необходимо совершить работу WmKJl. При этом абсолютное значение работы цикла можно рассчитать по формуле.

где Q_H>Qc•.

Следует подчеркнуть, что хотя внешне циклы холодильной установки и теплового насоса описываются одним соотношением, цели этих устройств и циклов различны.

Цель цикла охлаждения — охладить некоторый объем пространства (камера холодильника, помещение) до температуры, которая ниже температуры окружающей среды. При оптимизации параметров такого цикла желательно повысить величину тепловой энергии, отводимой от холодного тела, Qc.

Цель цикла теплового насоса — поддержание температуры в некотором объеме выше температуры окружающей среды. Желательным условием такого цикла является максимизация теплоты, подводимой к горячему телу, Q_H.

Поскольку циклы холодильной установки и теплового насоса имеют разные цели, коэффициенты их производительности определяются по-разному.

Производительность цикла холодильной установки можно охарактеризовать отношением величины тепловой энергии, которую получила система в течение цикла к работе цикла:

где р — холодильный коэффициент. В домашнем холодильнике энергия Q_u рассеивается в помещении. Работа цикла совершается за счет электроэнергии, которая приводит в действие двигатель холодильника.

Например, в качестве холодного тела в холодильнике выступают его камеры, горячим телом при этом является окружающая среда. Энергия Q_c передается от продуктов и других предметов, находящихся в холодильнике, циркулирующей жидкости (хладагенту). Для того чтобы такой теплообмен произошел, нужно, чтобы температура хладагента была ниже температуры содержимого холодильника. Энергия Q_H передается от хладагента в окружающую среду. Такой теплообмен возможен, только если температура хладагента выше температуры окружающей среды. Осуществление переноса тепловой энергии от холодного тела горячему возможно лишь за счет совершения над системой работы.

Производительность теплового насоса можно охарактеризовать отношением количества энергии, переданной в цикле горячему телу, Q_H, к работе цикла:

где у — отопительный коэффициент. Очевидно, у > 1, поскольку Q_u >Q_C.

Для бытовых тепловых насосов энергия Q_c обычно извлекается из окружающей среды, воды, почвы. Работа цикла совершается за счет электроэнергии.

Холодильный и отопительный коэффициенты определены как отношение количества теплоты, которое желательно передать, к работе цикла. Поэтому чем больше значения этих коэффициентов, тем выше эффективность цикла.

Взаимосвязь холодильного и отопительного коэффициентов можно определить как т. е. у = Р + 1.

Прямой цикл и обратный цикл.

Изобразим произвольный цикл в координатах р— Vy считая, что процессы происходят так, как показано на рис. 6.5. На участке 1— а—2 происходит расширение рабочего тела (система совершает работу), на участке 2—6—1 работа совершается над системой. Численно величина работы цикла равна разности площадей иод кривыми 1— а—2 и 2—6—1, т. е. площади фигуры 1—а—2—6—1. Поскольку площадь под кривой 1— а—2 больше площади под кривой 2—6—1, работа цикла в этом случае положительна. Данный цикл называется прямым и является циклом теплового двигателя.

Если же цикл направить в обратную сторону (см. рис. 6.5), то его работа будет отрицательной, работа совершается в цикле над системой. Данный цикл является обратным, это цикл холодильной машины и теплового насоса.

Рис. 6.5. Прямой и обратный циклы в координатах давление—объем.