Идеальные циклы тепловых двигателей
Идеальный цикл Карно является циклом с подводом теплоты при постоянной температуре (Г = сопз{), т. е. в медленном изотермическом процессе. Практически трудно представить возможность осуществления такого процесса в реальных тепловых машинах. Поэтому рассмотрим особенности теоретических (идеальных) циклов, в которых теплота подводится к рабочему телу в иных условиях, а именно при постоянных объеме (у = соп51) или давлении (р = соп51), а также смешанного цикла. Циклы характеризуются в первую очередь степенью сжатия рабочего тела: г = v/v2, являющейся геометрической характеристикой конкретного двигателя.
Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Цикл (рис. 3.8) состоит из двух адиабат (1-2 и 3- 4) и двух изохор (2-3 и 4-/) и начинается в точке 1 (р, и, Т и Я)). От точки 1 до точки 2 сжатие газа происходит без теплообмена со средой (адиабатный процесс) за счет внешней приложенной работы. По изохоре 2-3 к рабочему телу подводится теплота <7|, при этом давление возрастает с р2 до р3 (Х = р3/р2 – степень повышения давления). Затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4, совершая механическую работу. В конце этого процесса по изохоре 4-1 отводится во внешнюю среду теплота Определим параметры состояния рабочего тела в основных точках цикла и характеристики процессов.
Точка 2 – конец адиабатного сжатия. На основании уравнения (3.37):
ръ^р^о^/иг)^ р^”; и2 = 01/е; (3.45) 72 = 7|(г/,Л>2)*-‘ = 7|е*-1.
Изохорныи подвод теплоты 2-3: <?| = = с„(73-72).
Точка 3-конец изохорного подвода теплоты:
рз = Р2^ = Р1в*?1; из = и2 = 01/е;
Г3 = 7’2Я = 7′,8*-^. (3.46)
Точка 4 – конец адиабатного расширения:
р4 = рз(и3/о4)* = Рз/е* = р|?1; и* = и1;
Г4 = 7-3(03/04) * “1 = Гз/е*-1 = Т X (3.47)
где У3/у4 = 02/0| = 1/е.
Изохорныи отвод теплоты 4-/: 92 = с„(74 –
Термический к.п.д. цикла Т*-Т1 1
, _ (з.48)
‘ 3 ‘ 2 8
зависит от степени сжатия е и увеличивается с ее увеличением.
Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл (рис. 3.9) состоит из адиабат 1-2 и 3-4, изобары 2-3 и изохоры 4-1. Подвод теплоты в данном цикле отличается от предыдущего и происходит при изобарном расширении газа 2-3, которое характеризуется степенью предварительного расширения р =
Параметры точек и процессов цикла.
Точка 2-конец адиабатного сжатия – по формуле (3.45).
Изобарный подвод теплоты 2-3: 91 = = с„(7з-72).
Точка 3 – конец изобарного подвода теплоты:
Рз = р2 = Р1е*; о3 = о2р = (У1р/е: 73 = 7|ре*-1
(3.49)
Точка 4 – конец адиабатного расширения: р4 = Р,р*; У4 = «1; 74 = 7-1р*. (3.50)
Рис. 3.8. Идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (по изохоре 2-3)
В) Р Рис. 3.9. Идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (по изобаре 2-3)
Изохорный отвод теплоты 4-/: 92 = = с„(Г4 -Г,).
Термический к.п.д. цикла Цт3-т2)
*е*-‘(р- 1) (3.51)
увеличивается с возрастанием степени сжатия в и уменьшается с увеличением р.
Цикл со смешанным подводом теплоты. Цикл (рис. 3.10) представляет собой комбинацию двух предыдущих. Он состоит из адиабат 1-2 и 3-4, изохор 2-3′ и 4-1 и изобары 3′-3. В этом цикле часть теплоты <?1 =с„(7з- Т2) подводится при постоянном объеме, другая часть д”= = ср(Гз- Т’з) -при постоянном давлении, причем <7^-г-<7″==<7ь Параметры процесса:
Точка 2 – конец адиабатного сжатия – по формуле (3.45).
Точка 3′ – конец изохорного подвода теплоты:
Рз = М = Р|8*^ уз = и2 = у./8;
Т3=Т,гк-Х (3.52)
где = р’з/р2-
Точка 3 – конец изобарного подвода теплоты – по формуле (3.49).
Точка 4 – конец адиабатного расширения:
рА – рркХ; о4 = ог, 7-4=7ЛрЧ. (3.53)
Термический к.п.д. цикла
(Г3-т2) + к(т3-т3) ■
_Хр” – 1_
г”-‘ [Х – 1 -ММР- 1)Г
1 -(3.54)
г 7
у, V
Рис. 3.10. Идеальный цикл со смешанным подводом теплоты (по изохоре 2-3′ и изобаре 3′-3)
возрастает с увеличением е и X и уменьшается с повышением р. Формула (3.54) для термического к.п.д. цикла является наиболее общей, универсальной. При ф=1 формула (3.54) приводится к виду (3.51), а при р = 1 – к виду (3.48).
Сравнение к.п.д. трех идеальных циклов показывает, что при одинаковых значениях степени сжатия е наибольшее значение тг( имеет цикл с изохорным подводом теплоты, наименьшее – с изобарным. При одинаковых значениях наибольших давлений в цикле (на которые рассчитывается прочность конструкции) большее значение термического к.п.д. т]( достигается в цикле с изобарным подводом теплоты, меньшее – в цикле с изохорным подводом теплоты. При одинаковых наибольших температурах термический к.п.д. цикла с изобарным подводом теплоты также выше, чем к.п.д. изохорного цикла.
Смешанный цикл во всех случаях по величине к.п.д. занимает промежуточное положение между этими циклами.
Использование идеальных циклов для анализа рабочих процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания (д.в.с). Идеальные циклы, рассмотренные выше, основаны на следующих условиях: рабочее тело- идеальный газ с постоянной, не зависящей от температуры теплоемкостью; количество, состав и свойства рабочего тела за время цикла не меняются; теплота к рабочему телу подводится от внешнего условного источника; процессы сжатия и расширения являются адиабатными, т. е. проходят без теплообмена с внешней средой; теплота отводится от рабочего тела к внешнему условному теплоприемнику.
Строго говоря, все эти предпосылки не соблюдаются в двигателях внутреннего сгорания, рабочие процессы которых, так же как и идеальные циклы, протекают внутри цилиндра с подвижным поршнем. Рабочими телами в них на разных этапах цикла являются воздух, смесь воздуха с парами топлива, газы – продукты сгорания топлива. Стало быть, состав и количество рабочего тела в цикле меняются, во время расширения или сжатия часть теплоты рассеивается во внешнюю среду. Процесс подвода теплоты фактически является горением топлива, а отвода – выбросом (рабочий процесс не является циклическим – он разомкнут) продуктов сгорания в атмосферу и т. п.
Однако рабочие газы в двигателях находятся при довольно высоких температурах и относительно невысоких давлениях, что делает их свойства близкими к свойствам идеальных газов. Одно обстоятельство, что атмосферный воздух на 77 % состоит из азота, который не участвует в горении и не меняет своего количества, состава и свойств в цикле, уже позволяет утверждать, что, по крайней мере, у трех четвертей массы рабочего тела не меняются свойства. Поэтому и у всей массы они изменяются мало. Такие оговорки с достаточной для практики точностью позволяют использовать для анализа реальных рабочих процессов д.в.с. закономерности, полученные при исследовании идеальных циклов.
Поэтому обычно вместо реального цикла д.в.с. рассматривается работа идеальной циклической установки, использующей воздух в качестве рабочего тела и имеющей такую же степень сжатия, как и д.в.с. Говорят что такая установка работает по стандартному воздушному циклу. С ее работой и сравнивается эффективность рабочего процесса реального двигателя. Надежность сравнения возрастает из-за внешнего сходства между индикаторной диаграммой реального д.в.с. (зависимость давления от объема цилиндра) и диаграммой состояния (ри-диа-грамма) соответствующего воздушного цикла.
Имеются три таких стандартных воздушных цикла.
1. Цикл Отто, или цикл быстрого сгорания, соответствующий идеальному циклу с подводом тепла по изохоре. Цикл был разработан французом Бо де Роча в 1862 г. и применен позднее в своем двигателе немецким инженером Николасом Отто.
2. Цикл Дизеля, или цикл постепенного сгорания, соответствующий идеальному циклу с изобарным подводом теплоты. Цикл назван по имени изобретателя двигателя с воспламенением от сжатия Рудольфа Дизеля, немца по национальности, родившегося и работавшего во Франции.
3. Смешанный цикл, соответствующий идеальному циклу со смешанным подводом теплоты.
Параметры состояния рабочего тела и характеристики процессов в стандартных воздушных циклах с достаточной точностью могут определяться по аналогичным зависимостям для идеальных циклов.
Теоретические циклы газотурбинных двигателей. Газотурбинным двигателем (ГТД) называется тепловой двигатель лопаточного типа, работающий на горячих газах – продуктах сгорания топлива. ГТД (рис. 3.11) состоит из компрессора К, подающего воздух, необходимый для сгорания топлива, камеры сгорания С, в которой непрерывно протекает горение топлива, и газовой турбины 7 на лопатках которой газы расширяются и совершают раТопл Рис. 3.11. Схема газотурбинного двигателя боту, вращая ротор ГТД. От вала ротора отбирается мощность (до 75 %) для привода компрессора. Оставшаяся часть – это полезная мощность ГТД. Рабочий процесс такой установки, строго говоря, нециклический. Через ГТД проходит непрерывно установившийся поток газа по разомкнутой схеме. Однако так как воздух засасывается из атмосферы, а газы возвращаются также в среду с тем же атмосферным давлением, это дает возможность условно замкнуть цикл и считать процесс циклическим.
Особенностью простейших идеальных циклов, используемых в ГТД, является отвод тепла при постоянном давлении, т. е. по изобаре. Таких циклов может быть два – в зависимости от способа подвода теплоты – по изобаре или по изохоре.
Цикл ГТД с подводом теплоты по изобаре (рис. 3.12) состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4) и двух изобар (2-3 и 4-1). По линии 1-2 протекает адиабатный процесс сжатия рабочего тела (воздуха) в компрессоре, по изобаре 2-3 подвод теплоты – горение топлива в камере сгорания. По линии 3-4 протекает адиабатный процесс расширения газа на лопатках турбины. Линия 4-1 представляет собой изобарный отвод теплоты (выпуск газов в атмосферу). По такому циклу работают турбореактивные двигатели самолетов.
Термический к.п.д. цикла определяется по выражению (3.48), где под е = и/и2 подразумевается степень сжатия воздуха в компрессоре, с увеличением которой к.п.д. цикла возрастает. Газ, выходящий из турбины в окружающую среду, имеет температуру Г4, более высокую, чем температура воздуха Гг после сжатия в компрессоре. Это дает возможность усовершенствовать работу установки путем использования теплоты уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед его поступлением в камеру сгорания (регенерация).
Цикл ГТД с подводом тепла по изохоре (рис. 3.13) состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), изохоры (2-3) и изобары (4-1).
Термический к.п.д. такого цикла к х’/к – 1 х, = 1 – е._, х _ , , (3.55)
где А, = Дз/Дг – степень повышения давления газа при сгорании топлива.
Очевидно, что к.п.д. этого цикла ниже, чем цикла с изобарным подводом теплоты.
Рис. 3.12. Идеальный цикл ГТД с подводом теплоты при постоянном давлении (по изобаре 2-3)
Рис. 3.13. Идеальный цикл ГТД с подводом теплоты при постоянном объеме (по изохоре 2-3)
⇐ | Техническая термодинамика | | Тепловозы: Основы теории и конструкция | | Теория теплообмена | ⇒
Источник
Идеальным циклом двигателя называется круговой замкнутый обратимый цикл, представляющий собой совокупность последовательных процессов, совершаемых идеальным газом в цилиндре идеальной машины.
При идеальном цикле допускаются следующие отступления: 1) с идеальным газом, находящимся в цилиндре, совершаются только физические, по не химические изменения, т. е. состав и масса газа остаются постоянными; 2) тепло подводится к газу извне, а не в процессе сгорания топлива в цилиндре; 3) процессы сжатия и расширения совершаются по адиабатам, т. е. без теплообмена с внешней средой (стенки цилиндра теплонепроницаемые и трение между поршнем и стенками цилиндра отсутствует); 4) теплоемкость газа не зависит от температуры; 5) выпуск отработавших газов заменяется передачей некоторого количества тепла холодному источнику при постоянном объеме. Идеальные циклы применяют для исследования действительных циклов, происходящих в реальных двигателях, и сравнения по степени использования тепла различных типов двигателей, независимо от их конструктивных особенностей.
Различают идеальные циклы: с подводом тепла при постоянных объеме и давлении и смешанным подводом тепла. Лучшим для современных судовых двигателей внутреннего сгорания является цикл со смешанным подводом тепла. На рис. 198 показаны диаграммы этого цикла в координатах р, V и Т, s. Основными процессами цикла являются: ас — адиабатное сжатие: сz’ — изохорный подвод тепла Q?1; z’z — изобарный подвод тепла Qp1; zе — адиабатное расширение и еа — отвод тепла Q2 к холодному источнику по изохоре.
Основные характеристики цикла следующие: Степень сжатия ? — отношение полного объема цилиндра Va к объему в конце сжатия Vс
Степень повышения давления ?— отношение давления рz в конце подвода тепла к давлению рс в конце сжатия
Степень предварительного расширения ? — отношение объема Vz в конце подвода тепла к объему Vс в конце сжатия
Степень последующего расширения ?— отношение объема Vе в конце расширения к объему Vz в конце подвода тепла
Так как Vе=Vа, то из произведения
откуда ?? = ?.
Термический к. п. д. ?t— отношение количества тепла, превращенного в работу в цилиндре идеальной машины, к количеству тепла, затраченному на совершение работы:
Подставив значение для количества подведенного и отведенного тепла и произведя некоторые преобразования (из курса технической термодинамики), получим окончательное выражение для термического к. п. д. смешанного цикла:
Из этого выражения следует, что термический к. п. д. возрастает с повышением степени сжатия ?, показателя адиабаты k и степени повышения давления ? и уменьшается при увеличении степени предварительного расширения ?. При перегрузках вследствие повышенной подачи топлива величина ? возрастает, что приводит к уменьшению экономичности двигателя.
Расчетный или теоретический цикл отличается от идеального и действительного, занимая между ними промежуточное положение. В расчетном цикле учитывают все явления, имеющие место в действительном цикле, но полагают, что сжатие и расширение протекают с постоянными показателями политроп. Процессы наполнения и выпуска полагают протекающими при неизменных давлениях, причем начало и конец каждого процесса совпадают с моментом прихода поршня в крайние положения. Процессы сгорания топлива считают происходящими сперва при V = const, затем при р = const.
На рис. 199 приведены схемы действительного и расчетного циклов дизеля со смешанным подводом тепла.
Циклы двухтактных ДВС отличаются от циклов четырехтактных только процессами наполнения цилиндров и выпуска отработавших газов: у двухтактных ДВС они совмещены.
Действительный цикл ДВС, под которым понимают ряд последовательно повторяющихся в цилиндре процессов, обусловливающих работу двигателя, значительно отличается от идеального. Количество газа в действительном цикле меняется: с ним происходят не только физические, но и химические изменения. Подвод тепла осуществляется не извне, а за счет сжигания топлива внутри цилиндра. Вследствие теплообмена с окружающей- средой процессы расширения и сжатия происходят не адиабатно, а политропно, причем показатели политроп непрерывно изменяются. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не возвращается в первоначальное состояние, а удаляется из цилиндра. Вместо него цилиндр заполняется свежим зарядом. Процессы наполнения цилиндра и выпуска газов происходит при переменном давлении. Начало и конец процессов выпуска и наполнения не совпадают с моментами прихода поршня в крайние положения. Процесс сгорания происходит не при V = const и р = const как в идеальном цикле, а представляет более сложный процесс.
Источник
Устройство, имеющее способность преобразовывать полученную теплоту в механическую работу носит название теплового двигателя. В таких машинах механическая работа совершается в процессе расширения вещества, называющегося рабочим телом. Его роль обычно исполняют газообразные вещества, вроде паров бензина, воздуха и водяного пара.
Определение 1
Рабочее тело приобретает или отдает тепловую энергию при теплообмене с телами, которые имеют внушительный запас внутренней энергии. Такие тела называют тепловыми резервуарами.
Исходя из первого закона термодинамики, можно сделать вывод, что полученное газом количество теплоты Q полностью преобразуется в работу A в условиях изотермического процесса, при котором внутренняя энергия не претерпевает изменений (ΔU=0):
A=Q
Однако, подобный однократный акт превращения теплоты в работу для техники не представляет интереса. Существующие тепловые двигатели, такие как паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и им подобные, работают циклически. Необходимо периодическое повторение процесса теплопередачи и преобразования полученной теплоты в работу. Чтобы данное условие выполнялось, рабочее тело должно совершать круговой процесс или же термодинамический цикл, при котором исходное состояние с периодически восстанавливается. На рисунке 3.11.1 в виде диаграммы (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых проиллюстрированы круговые. В условиях расширения газ производит положительную работу A1, эквивалентную площади под кривой abc. При сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A=A1+A2 на диаграмме (p, V) равняется площади цикла. Работа A положительна, в том случае, если цикл проходит по часовой стрелке, и A отрицательна, когда цикл проходит в противоположном направлении.
Рисунок 3.11.1. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.
Все круговые процессы обладают общей чертой. Они не могут привестись в действие при контакте рабочего тела только с одним тепловым. Их минимальное число должно быть равным двум.
Определение 2
Тепловой резервуар, обладающий более высоким значением температуры, носит название нагревателя, а с более низким – холодильника.
Рабочее тело при совершении кругового процесса получает от нагревателя некоторую теплоту Q1>0 и теряет, отдавая холодильнику, количество теплоты Q2<0. Для полного полученного рабочим телом за цикл количества теплоты Q справедливо следующее выражение:
Q=Q1+Q2=Q1-Q2.
Совершая цикл, рабочее тело приходит в свое первоначальное состояние, из чего можно сделать вывод, что изменение его внутренней энергии равняется ΔU=0. Основываясь на первом законе термодинамики, запишем:
∆U=Q-A=0.
Из этого следует:
A=Q=Q1-Q2.
Работа A, которую рабочее тело совершает за цикл, эквивалентна полученному за этот же цикл количеству теплоты Q.
Определение 3
Коэффициентом полезного действия или же КПД η теплового двигателя называют отношение работы A к полученному рабочим телом за цикл от нагревателя количеству теплоты Q1, то есть:
η=AQ1=Q1-Q2Q1.
Рисунок 3.11.2. Модель термодинамических циклов.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя демонстрирует, какая доля тепловой энергии, которую получило рабочее тело от нагревателя, преобразовалась в полезную работу. Оставшаяся часть (1–η) была без пользы передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы η<1. На рисунке 3.11.3 проиллюстрирована энергетическая схема тепловой машины.
Рисунок 3.11.3. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1>0, A>0, Q2<0; T1>T2.
Виды тепловых двигателей
В технике свое применение находят двигатели, использующие круговые процессы. Рисунок 3.11.3 демонстрирует нам циклы, применяемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. Они оба в качестве рабочего тела используют смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания включает в себя две изохоры (1–2, 3–4) и две адиабаты (2–3, 4–1), дизельного двигателя -две адиабаты (1–2, 3–4), одну изобару (2–3) и одну изохору (4–1). Реальный КПД (коэффициент полезного действия) у карбюраторного двигателя составляет около 30 %, у дизельного двигателя – приблизительно 40 %.
Рисунок 3.11.4. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).
Цикл Карно
Круговой процесс, изображенный на рисунке 3.11.5, состоящий из двух изотерм и двух адиабат был назван циклом Карно в честь открывшего его в 1824 году французского инженера. Данное явление впоследствии оказало колоссальное влияние на развитие учения о тепловых процессах.
Рисунок 3.11.5. Цикл Карно.
Находящийся в цилиндре, под поршнем, газ совершает цикл Карно. На участке изотермы (1–2) он приводится в тепловой контакт с нагревателем, обладающим некоторой температурой T1. Газ изотермически расширяется, при этом к нему подводится эквивалентное совершенной работе A12количество теплоты Q1=A12. После этого на участке адиабаты (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает процесс расширения при отсутствующем теплообмене. На данной части цикла газ совершает работу A23>0. Его температура при адиабатическом расширении снижается до величины T2. На идущем следующим участке изотермы (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодильником в условиях температуры T2<T1. Производится процесс изотермического сжатия. Газом совершается некоторая работа A34<0 и отдается тепло Q2<0, эквивалентное произведенной им работе A34. Его внутренняя энергия не претерпевает изменений. На последнем оставшемся участке адиабатического сжатия газ снова помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии его температура вырастает до величины T1, также совершается работа A41<0. совершаемая газом за цикл полная работа A эквивалентна сумме работ на отдельных участках:
A=A12+A23+A34+A41.
На диаграмме (p, V) данная работа равняется площади цикла.
Процессы на любом из участков цикла Карно квазистатичны. Например, оба участка 1–2 и 3–4, относящихся к изотермическим, производятся при пренебрежительно малой разности температур рабочего тела, то есть газа, и теплового резервуара, будь то нагреватель или холодильник.
Исходя из первого закона термодинамики, можно заявить, что работа газа в условиях адиабатического расширения или сжатия эквивалентна падению значения ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа верно следующее выражение:
A=-∆U=-CV(T2-T1),
в котором T1 и T2 представляют собой начальную и конечную температуры рабочего тела.
Из этого следует, что работы, совершаемые газом на двух адиабатических участках цикла Карно, противоположны по знакам и одинаковы по модулю:
A23=-A41.
Коэффициент полезного действия η цикла Карно может рассчитываться с помощью следующих соотношений:
η=AQ1=A12+A34Q12=Q1-Q2Q1=1-Q2Q1.
С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через величины температур холодильника T2и нагревателя T1:
η=T1-T2T1=1-T2T1.
Цикл Карно примечателен тем, что ни на одном из его участков тела, обладающие различными температурами, не соприкасаются. Любое состояние рабочего тела в цикле является квазиравновесным, что означает его бесконечную близость к состоянию теплового равновесия с окружающими объектами, то есть тепловыми резервуарами или же термостатами. В цикле Карно исключен теплообмен в условиях конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), если тепло имеет возможность переходить без совершения работы. По этой причине любые другие возможные круговые процессы проигрывают ему в эффективности при заданных температурах нагревателя и холодильника:
ηКарно=ηmax
Рисунок 3.11.6. Модель цикла Карно.
Каждый участок цикла Карно и цикл в целом могут проходиться в обоих направлениях.
Определение 4
Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, в котором полученное рабочим телом тепло частично преобразуется в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, где некое количество теплоты отходит от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Именно поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, носит название обратимой тепловой машины.
В реально существующих холодильных машинах применяются разные циклические процессы. Любой холодильный цикл на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. На рисунке 3.11.7 проиллюстрирована энергетическая схема холодильной машины.
Рисунок 3.11.7. Энергетическая схема холодильной машины. Q1<0, A>0, Q2 > 0, T1>T2.
Работающее по холодильному циклу устройство может обладать двояким предназначением.
Определение 5
Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q2 от охлаждаемых тел, к примеру, от продуктов в камере холодильника, то такое устройство является обычным холодильником.
Эффективность работы холодильника может быть охарактеризована следующим отношением:
βx=Q2A.
Таким образом, эффективность работы холодильника представляет собой количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. В условиях подобного определения βх может быть, как больше, так и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо выражение:
βx=T2T1-T2.
Определение 6
В случае, когда полезным эффектом является передача некоего количества тепла
|Q1| нагреваемым телам, чьим примером может выступать воздух в помещении, то такое устройство называется тепловым насосом.
Эффективность βТ теплового насоса может быть определена с помощью отношения:
βт=Q1A.
То есть она может определяться количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:
Q1>A.
Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо следующее выражение:
βт=1η=T1T1-T2.
Источник