Необратимые потери обратных циклов способы сокращения необратимых потерь
условия равновесия внутри тела, отсутствуют внутреннее
диффузия, не происходит смешения и химических реакций.
В том случае, когда выполняются условия равновесия между рабочим
веществом и внешними телами (окружающей средой), находящимися с ним
во взаимодействии, процесс называют
возможны различные сочетания внутренне и внешне обратимых и
необратимых процессов и их можно классифицировать следующим
образом: 1) процессы вполне обратимы как внутренне, так и внешне; 2)
процессы внешне обратимые, но внутренне необратимые; 3) процессы
внешне необратимые, но внутренне обратимые; 4) процессы необратимые
как внутренне, так и
Все без исключения процессы, происходящие в элементах холодильной
машины, осуществляющей обратный круговой процесс, относятся к
четвертой группе. Тем не менее, при термодинамическом анализе можно
использовать и понятие о процессах первых трех групп. При таком анализе
различных холодильных устройств весьма плодотворным является метод
наращивания (суммирования) потерь. Одним из важных аспектов этого
метода является разделение потерь на внутренние и внешние.
Обратимые процессы можно изображать в термодинамических
диаграммах. Площади под кривыми, изображающими такие процессы в
-диаграммах, будут представлять собой соответственно
количество работы и теплоты. Изображение необратимых процессов в
тепловых диаграммах в значительной мере условно.
§ 2.3. Необратимые потери обратных циклов
Для определения величины необратимых потерь процессов в обратных
циклах используется уравнение Гюи — Стодолы. На основании первого и
второго законов термодинамики для обратных циклов уравнение Гюи—
Стодолы имеет вид
— увеличение работы цикла, вызванное необратимостью
— температура окружающей среды; ƩΔs— суммарное
приращение энтропии всех тел, принимающих участие в процессах.
Так как энтропия — функция состояния тела, то в замкнутом обратном
цикле, совершаемом рабочим веществом, его энтропия примет
первоначальное значение, а изменение энтропии будет равно нулю.
Следовательно, под ƩΔs при совершении обратного цикла следует
понимать изменение энтропии источников. Для холодильного цикла
использование уравнения Гюи — Стодолы при оценке потерь, связанных с
необратимостью, возможно только в том случае, если Данный
необратимый цикл сравнивается с обратимым (внутренне и внешне),
имеющим такую же холодопроизводительность (количество теплоты,
Источник
Необратимые потери обратных циклов способы сокращения необратимых потерь
получаемое рабочим веществом от источника). Такие обратимые циклы
часто называют циклами с минимальной работой, циклами-образцами.
Для процессов, происходящих в тепловом насосе, уравнение Гюи —
Стодолы справедливо в том случае, если сравниваются циклы, дающие
одно и то же количество теплоты.
В обратных циклах основными необратимыми потерями являются:
потери, связанные с теплообменом рабочего вещества с источником низкой
температуры и с окружающей средой; потери, связанные с
дросселированием рабочего вещества.
Определение этих необратимых потерь
для простоты рассуждений будем
производить по частям, чтобы
впоследствии просуммировать все потери
и определить степень термодинамического
Предположим, что необходимо охладить
какой-то источник низкой температуры от
можно сделать при помощи холодильной
машины, работающей по циклу
В этом цикле теплота от
рабочего вещества отводится к окружающей среде в процессе
бесконечно малой разности температур. Процессы сжатия и расширения
происходят по линиям s = const, т. е. также
обратимы. Таким образом, в этом цикле имеется только один вид не-
обратимости — подвод теплоты к рабочему веществу при конечной раз-
ности температур в процессе
показан на диаграмме
строится таким образом, что его удельная
равна количеству теплоты, отводимой от
источника низкой температуры, т. е.
Из термодинамики известно, что работа цикла
Сравним работу цикла
необратимость в процессе подвода теплоты к рабочему веществу, с
обратимым циклом (циклом с минимальной работой). Таким циклом для
данных источников будет цикл
Действительно, в этом цикле
теплообмен рабочего вещества с источником низкой температуры и с
окружающей средой идет при бесконечно малой разности температур,
процессы сжатия и расширения
также обратимы (идут по линии
s = const), т. е. такой цикл внутренне и внешне обратим. Удельные
Источник
Необратимые потери обратных циклов способы сокращения необратимых потерь
| Необратимый цикл. Холодильная машина |   |
| 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 Для холодильных машин, работающих по циклу Карно Доступны следующие дополнительные демонстрации: 1. Гидравлическая машина. 2. Гидростатическое давление. Источник Способы сокращения необратимых потерь циклов
1. Цикл с переохлаждением рабочего тела. Необратимые потери, которые возникают при дросселировании можно уменьшить, применив переохлаждение рабочего тела. Схема и цикл холодильной машины с переохлаждением рабочего тела показаны на рис. 6. Схема холодильной машины дополняется ещё одним теплообменным аппаратом – переохладителем жидкости (ПО), расположенным между конденсатором и дроссельным вентилем. В некоторых конструкциях переохлаждение происходит в самих конденсаторах. Переохлаждение чаще всего применяют, когда для отвода теплоты имеется два источника, например: обычная речная вода и более холодная вода артезианских скважин; воздух и вода. В этом случае процесс переохлаждения (
Рис. 6. Схема и цикл холодильной машины с переохлаждением рабочего тела Переохлаждение увеличивает холодопроизводительность машины
Так как, при этом, работа цикла не изменяется, то холодильный коэффициент увеличивается
2. Цикл с регенерацией теплоты. В современных холодильных машинах, особенно фреоновых, вводится процесс регенеративного теплообмена между паром, выходящим из испарителя, и жидкостью, которая выходит из конденсатора. Схема и цикл холодильной машины с регенерацией теплоты показаны на рис. 7. В теплообменнике (ТО) температура пара повышается (процесс В результате регенерации теплоты увеличивается холодопроизводительность
Одновременно увеличивается работа цикла (работа компрессора). Это увеличение эквивалентно площадке
Рис. 7. Схема и цикл холодильной машины с регенерацией теплоты В практических условиях регенерация теплоты не приносит выигрыша для большинства рабочих тел, однако для фреоновых холодильных машин регенерация выгодна, так как фреоновые машины допускают перегрев паров рабочего тела на всасывании – до Нагрузка на теплообменник может быть определена из теплового баланса
3. Сокращение потерь цикла от перегрева пара при сжатии. При интенсивном охлаждении стенок цилиндров компрессора процесс сжатия приближается к изотермическому, что приводит к сокращению величины необратимых потерь (процесс
Рис. 8. Цикл холодильной машины при интенсивном охлаждении стенок цилиндров В реальных машинах стенки цилиндров охлаждаются водой или воздухом. 4. Сокращение потерь циклов от конечных разностей температур в теплообменных аппаратах. Для сокращения необратимых потерь циклов от конечных разностей температур в теплообменных аппаратах необходимо увеличить их поверхность. Увеличение поверхности аппаратов приводит к росту металлоёмкости и стоимости, поэтому разность температур в теплообменных аппаратах рассчитывается экономически. Экономически целесообразному перепаду температур в теплообменном аппарате соответствует наименьшая сумма расходов, отнесённая к единице произведённого холода. Здесь всегда приходится сталкиваться с тем, что увеличение перепада температур вызывает возрастание энергетических затрат, но в тоже время способствует уменьшению затрат на оборудование. Ориентировочная разность температур в теплообменных аппаратах для холодильной техники составляет величину около 10 °С, что существенно ниже чем в энергетических аппаратах, так как стоимость холода выше. Источник |
, 
и работа, совершаемая над газом, отрицательна, т.е.
) идёт за счёт теплоты более холодного источника.
.
.
), а температура жидкости перед дросселированием снижается (процесс 
.
.
°С, что приводит к увеличению холодильного коэффициента.
.
). Цикл холодильной машины при интенсивном охлаждении стенок цилиндров показан на рис. 8.
