Первый закон термодинамики как частный случай закона сохранения и превращения энергии говорит о возможности превращения теплоты в механическую работу и, наоборот, в определенных количественных соотношениях. Отношение теплоты к работе всегда постоянно. Его можно обозначить через константу А:
А = Q/L;
Константу А называют тепловым эквивалентом работы. В системе СИ механическую работу и теплоту измеряют в Джоулях (Дж), поэтому в этой системе А = 1. Следовательно: Q = L.
Соотношения между единицами измерения энергии приведены в табл. 2.1.
При реализации кругового процесса в холодильных машинах и охлаждающих устройствах требуются затраты энергии, а в основе их действия лежит второй закон термодинамики, который гласит:
для передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу необходимо затратить энергию.
Таблица 2.1
Соотношения между единицами измерения энергии
| Единица измерения энергии | Эквивалентные единицы | |||
| кДж | ккал | кВт·ч | кГс·м | |
| 1кДж | 0,239 | 0,00278 | 102,0 | |
| 1ккал | 4,19 | 0,00116 | ||
| 1кВт·ч | ||||
| 1кГс·м | 0,00981 | 0,00234 | 2,72·10-6 |
 |
На рис.2.1 показаны принципиальные схемы действия теплового двигателя (а) и холодильной машины (б). В тепловом двигателе происходит прямой круговой процесс или цикл – последовательное изменение состояния рабочего вещества и возвращение его в исходное состояние.
В прямом цикле при подводе теплоты Q от источника с высокой температурой Т2 совершается работа L. При этом часть теплоты Q0 переходит к источнику с низкой температурой Т1.
Энергетическую эффективность теплового двигателя оценивают термическим КПД, показывающим, какая часть тепловой энергии Q превратилась в работу L:
ηt = L/Q.
Термический КПД всегда меньше 1.
В холодильной машине происходит обратный круговой процесс или цикл. При совершении работы L теплота Q0 с помощью рабочего вещества передается от источника с низкой температурой Т1 к источнику с более высокой тепературой Т2.
Таким образом, для обратного кругового процесса или цикла холодильной машины можно дать следующее определение:
обратным круговым процессом или циклом холодильной машины на зывается замкнутый процесс последовательного изменения состояния, циркулирующего в нем рабочего вещества за счет затраты энергии. При этом осуществляется перенос теплоты Q0 от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде – воздуху или воде.
 |
Цикл холодильной машины показан на рис.2.2,а. Энергетическую эффективность холодильной машины оценивают холодильным коэффициентом, представляющим отношение теплоты Q0 к работе L, которую нужно затратить, чтобы отвести ее от источника с низкой температурой
ε = Q0/L.
Холодильный коэффициент может быть в несколько раз больше 1. Он зависит от разности температур Т2 – Т1. С ее увеличением он уменьшается.
Машину, в которой происходит также обратный цикл, но теплота Q0 переносится от окружающей среды с температурой Т2 к нагреваемой среде, имеющей температуру Т3, называют тепловым насосом (ТН). Таким образом, тепловой насос предназначен для поддержания более высокой температуры Т3 по сравнению с температурой окружающей среды Т2. Цикл теплового насоса показан на рис. 2.2,б. Энергетическую эффективность теплового насоса оценивают коэффициентом преобразования (коэффициентом мощности, отопительным коэффициентом, коэффициентом трансформации теплоты):
φ = Q1/L = (Q0+L) / L =ε + 1.
Следовательно, энергетическая эффективность теплового насоса выше, чем энергетическая эффективность холодильной машины.
Для идеального обратного цикла Карно коэффициент преобразования определяется из соотношения
φ = Твых / (Твых – Твх)
где Твых, Твх – температуры соответственно на выходе и входе ТН.
Действительный коэффициент преобразования ТН будет
φ действ = η тн · φ,
где ηтн – энергетический КПД ТН, учитывающий все потери энергии в насосе. Величина ηтн в современных ТН находится в интервале 0,65…0,7. В настоящее время считается вполне допустимой величина φ действ ≥ 2,5…3,0 и хорошей – величина 3,5…4,6.
Установлено, что на крупной теплонасосной станции Швеции с теповой мощностью ТН – 30 тыс. кВт, действительный коэффициент преобразования составляет φ действ = 3,2. Тепловые насосы Великобритании с тепловой мощностью 270…1300 кВт используются при φ действ = 4,1…4,5. Отечественные тепловые насосы НТ-15, НТ-65, НТ-410 (цифры – тепловая мощность, кВт) используются для отопления и горячего водоснабжения при величине
φ действ = 4,3…4,6.
Для оценки эффективности использования ТН более правильно использовать параметр
Q тн/ Q т = ηтэц · φ действ,
где Q тн – тепловая мощность ТН; Q т – теплота, затраченная на тепловой электростанции (ТЭЦ) при сжигании топлива для получения электрической энергии для привода насоса; ηтэц – КПД ТЭЦ (с парогазовым циклом – 0,55; с паровым – 0,37; с газовым – 0,33).
Возможен также комбинированный цикл (рис.2.2, в). В этом случае теплота Q0, отводимая от охлаждаемой среды с температурой Т1, передается нагреваемой среде с температурой Т3. Осуществляя такой цикл, одновременно получают холод Q0 и теплоту Q1. Очевидно, что энергетическая эффективность комбинированного цикла выше, чем раздельного охлаждения и нагрева.
В реальных условиях одновременное получение холода и теплоты с помощью одной и той же машины, при взаимосвязанных величинах Q0 и Q1
не всегда целесообразно.