для чего нужен холодильник в тепловом двигателе

Принцип работы холодильника кратко: как устроен

Содержание:

Производственные процессы, торговля и быт редко обходятся без установок для охлаждения. Даже посреди зимы поддерживать стабильную температуру продуктов питания без охладителя сложно. Кратко рассмотрим принцип работы (действия) холодильной машины – холодильника.

Как работает холодильник простыми словами

Принцип работы холодильника основан на испарении и выработке конденсата хладагента, зачастую – жидкого фреона. Охладитель поглощает вырабатываемую машиной тепловую энергию вследствие кипения холодильного агента. В его роли преимущественно выступает фреон.

Энергия у системы забирается (образуется холод), когда изменяется давление хладагента, приводящее к корректировке температуры его кипения. Для испарения жидкости её необходимо нагреть, конденсация наблюдается при отборе тепла из парообразной среды.

Холодильные машины в физике представлены четырьмя узлами:

Все компоненты соединены системой трубок, по которым циркулирует хладагент. Для «получения холода» температура кипения охладительной жидкости должна быть ниже, чем в окружающей среде.

Роль холодильника в тепловом двигателе

Работа тепловым двигателем совершается при разности давлений с обеих сторон поршня. Оно создаётся путём повышения температуры внутри агрегата на сотни градусов. Газ при этом совершает работу – расширяется, двигая поршень. Холодильник этот газ охлаждает, чтобы работа на сжатие была меньше, чем на декомпрессию.

Принцип работы холодильной машины основывается на охлаждении – отборе тепла у рабочей машины посредством кипения жидкости.

Источник

Тепловые машины

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

С учётом соотношения (1) имеем также

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3 ).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Источник

Что является холодильником в тепловом двигателе

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Q нагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Q хол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

6.3. Второй закон термодинамики

6.3.1. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей. Цикл Карно

Второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых двигателей (машин). В формулировке Кельвина оно выглядит следующим образом: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

Схема действия тепловой машины (теплового двигателя) представлена на рис. 6.3.

Цикл работы теплового двигателя состоит из трех этапов:

1) нагреватель передает газу количество теплоты Q 1 ;

2) газ, расширяясь, совершает работу A ;

Из первого закона термодинамики для циклического процесса

где Q — количество теплоты, полученное газом за цикл, Q = Q 1 − Q 2 ; Q 1 — количество теплоты, переданное газу от нагревателя; Q 2 — количество теплоты, отданное газом холодильнику.

Поэтому для идеальной тепловой машины справедливо равенство

Когда потери энергии (за счет трения и рассеяния ее в окружающую среду) отсутствуют, при работе тепловых машин выполняется закон сохранения энергии

где Q 1 — теплота, переданная от нагревателя рабочему телу (газу); A — работа, совершенная газом; Q 2 — теплота, переданная газом холодильнику.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по одной из формул:

где A — работа, совершенная газом; Q 1 — теплота, переданная от нагревателя рабочему телу (газу); Q 2 — теплота, переданная газом холодильнику.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, показанных на рис. 6.4.

2. Работа газа в тепловых двигателях

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Термодинамика и тепломассообмен

Низкотемпературные процессы и аппараты

В настоящее время используются низкотемпературные установки, начиная со сверхпроводящих устройств, установок разделения газовых смесей, установок для ожижения природного газа, и кончая холодильными установками для хранения пищевых продуктов, систем хладоснабжения ледяных арен, искусственных горнолыжных трасс, установок кондиционирования воздуха, криомедицинского инструмента.

1. Холодильная установка

Холодильник — устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Работа холодильника основана на использовании теплового насоса, переносящего тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду. Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах — испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника, использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Основными составляющими частями холодильника являются:

Холодильный компрессор — компрессор, предназначенный для сжатия и перекачки паров хладагента в холодильных установках. При сжатии паров происходит повышение не только давления, но и температуры.

Чаще всего выполняется с приводом вращения вала от электродвигателя по той или иной поршневой схеме. Число поршней варьируется от 1 для бытовых устройств до 8 для крупных стационарных компрессоров. Также поршневые компрессоры могут быть одно- и многоступенчатыми (обычно 2-ступенчатыми). В них холодильный агент, сжатый в цилиндрах первой ступени, охлаждается и поступает в цилиндры второй ступени.

Другой распространённый тип компрессоров — винтовые. В них сжатие холодильного агента осуществляется в полости, образуемой либо между вращающимися роторами, либо между ротором и корпусом (эффект мясорубки). Также к ним относяться и центрифугальные компрессоры. Винтовые компрессоры обладают большей холодопроизводительностью по сравнению с поршневыми компрессорами при сопоставимых размерах.

Конденсатор — теплообменный аппарат для конденсации (превращения в жидкость) паров вещества путём охлаждения. Для конденсации пара какого-либо вещества необходимо отвести от каждой единицы его массы теплоту, равную удельной теплоте конденсации. Для обратимых процессов она равна удельной теплоте парообразования. Поскольку при конденсации, как и при испарении, температура не изменится, пока не сконденсируется весь пар, процесс происходит практически при постоянных параметрах пара. Параметры пара при конденсации близки к состоянию насыщения.

Испаритель — теплообменный аппарат, в котором рабочее вещество кипит за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Образовавшийся при кипении холодильного агента пар отсасывается из испарителя компрессором для совершения дальнейших процессов цикла холодильной машины.

Дроссель — устройство для понижения давления газа или пара при протекании через сужение проходного канала трубопровода или клапана.

Холодильный агент (хладагент) — рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т. п.). Хладагент является частным случаем теплоносителя. Важным отличием является использование теплоносителей в одном и том же агрегатном состоянии, в то время, как хладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию). Основными холодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны), элегаз и некоторые углеводороды. Принцип действия компрессионного холодильника. Хладагент под давлением через дросселирующее отверстие поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение её в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника. Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь. Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Обычно также присутствует теплообменник, выравнивающий температуру на выходе из конденсатора и из испарителя. В результате к дросселю поступает уже охлаждённый хладагент, который затем ещё сильнее охлаждается в испарителе, в то время как хладагент, поступивший из испарителя подогревается, прежде чем поступить в компрессор и конденсатор. Это позволяет увеличить эффективность холодильника.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2021. All rights reserved.

Роль холодильника

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передает холодильнику количество теплоты |Q 2 |

Михаил Александрович

2 أشهر قبل

очень понятный и качественный контент, спасибо!

очень познавательно, класс

Так можно 100 раз опускать в воду

Реальность самого простого, а потому дешевого, самого экономичного и самого надежного теплового двигателя: areye.info/up/nH2Z0qOLoph2hsg/fydyw&ab_channel=mifikaciy

какие изопроцессы присутствуют в данном цикле?

Источник