зачем в тепловом двигателе нужен холодильник
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.
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.
Зачем нужен холодильник в тепловом двигателе
Зачем в тепловом двигателе нужен холодильник
Лучший ответ:
Для совершения работы теплового двигателя необходима разность давлений по сторонам поршня. Для этого повышается температура рабочего тела на сотни градусов по отношению к температуре окружающей среды.
Рабочее тело — это газ, который совершает работу при расширении.
Холодильник необходим для охлаждения газа перед сжатием, т.к. работа на сжатие должна быть меньше.
Другие вопросы:
Определите pH растворов, в которых А) (H )=10^-10 моль/л. Б) (OH-)=10^-2 моль/л.
(х-1,5)=4,(3-х)=5,(2х-3)=0,(6-5х)=0 помогите решить эти уровнения
Лекция 13
Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса
Внутренняя энергия ванн-дер-ваальсовского газа
.
суммарная кинетическая энергия молекул в Ц-системе, связанной с сосудом;
– суммарная энергия взаимодействия молекул (собственная потенциальная энергия).
Если газ расширяется в пустоту без теплообмена с окружающими телами, то 
, и согласно первому началу термодинамики в этом процессе U = = const. Получается, что с ростом объёма температура реального газа уменьшается (в отличие от идеального газа).
Тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые турбины и др.) предназначены для получения полезной работы за счёт теплоты, выделяемой вследствие сгорания топлива, ядерных превращений, нагрева солнечными лучами или по другим причинам. Ниже приведена условная схема тепловой машины (а) и её термодинамический цикл (б).
В качестве холодильника часто выступает окружающая среда. В космических энергоустановках окружающая среда отсутствует и необходим специальный холодильник-излучатель.
Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Вычисляемая по первому началу термодинамики величина QXявляется отрицательной т.к. это количество теплоты поступает не к рабочему телу, а от него к холодильнику.
В соответствии с первым началом внутренняя энергия за цикл (круговой процесс) не изменяется. Совершённая рабочим телом механическая работа равна разности подведённой и отведённой теплоты:
.
Тепловой коэффициент полезного действия (КПД) цикла любой тепловой машины можно рассчитать как отношение полезной работы к количеству теплоты, переданной рабочему телу от нагревателя:
.
В холодильной машине внешние тела совершают работу А * над рабочим телом и происходит отвод теплоты QОХЛ от охлаждаемого тела и передача теплоты QТР (величина отрицательная)тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.
Холодильный коэффициент холодильной машины определяют как отношение отведённого от охлаждаемого тела количества теплоты к затраченной для этого механической работе А * :
.
Холодильный коэффициент холодильной машины в отличие от КПД тепловой машины может быть как больше, так и меньше единицы.
Холодильная машина может использоваться не только для охлаждения различных предметов, но и как тепловой насос для отопления помещений. В этом случае тепловым резервуаром является обогреваемое помещение, а теплота QОХЛотводится из менее нагретой окружающей среды. Термодинамические циклы холодильной машины и теплового насоса совпадают.
КПД теплового насоса определяют как отношение полученного нагреваемым помещением количества теплоты к затраченной для этого механической работе:
.
Видно, что КПД теплового насоса обязательно должен быть больше единицы.
Преимущество теплового насоса по сравнению с обычным электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в теплоту электроэнергия, но и теплота, отобранная от окружающей среды.
Дата добавления: 2015-05-09 ; Просмотров: 3682 ; Нарушение авторских прав? ;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.
Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.
Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.
Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:
Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:
КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.
КПД теплового двигателя
Принцип работы теплового двигателя
Принцип действия тепловых двигателей КПД
В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.
Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.
Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:
Подставляем числовые значения и вычисляем:
Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:
Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :
Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.
Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:
Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :
Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :
Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :
Как работает холодильное оборудование?
Содержание
Содержание
Вы никогда не задумывались, почему в холодильнике — холодно, и что общего у морозильного шкафа и кондиционера? В этом материале разбираемся, как работает холодильное оборудование.
Замечали, что, когда вы выходите из душа, вам всегда прохладно? Дело в том, что влага при испарении поглощает тепло. А при конденсации, наоборот, тепло выделяется. На этих явлениях и основан принцип действия паровых компрессорных холодильных машин– в них по замкнутому кругу двигается специальная жидкость (хладагент). Хладагент испаряется в испарителе и конденсируется в конденсаторе. При этом испаритель охлаждается, а конденсатор греется.
Чтобы хладагент испарялся и конденсировался в нужных местах, в холодильном контуре должны присутствовать еще два элемента – компрессор и дросселирующее устройство.
Компрессор сжимает газообразный хладагент в конденсаторе, где он под действием высокого давления переходит в жидкую форму, выделяя тепло. А дросселирующее устройство (капиллярная трубка или терморегулирующий вентиль) затрудняет движение хладагента и поддерживает высокое давление в конденсаторе. После дросселя давление в контуре намного ниже, и попавший туда хладагент начинает испаряться внутри испарителя, поглощая тепло. Далее он, уже в газообразном виде, снова попадает в компрессор, и цикл повторяется.
Многие холодильные установки комплектуются дополнительными элементами.
Фильтр-осушитель устанавливается перед дросселирующим устройством. Его задачей является извлечение из хладагента воды и механических частиц. При его отсутствии капилляр может засориться или замерзнуть.
Терморегулятор (термостат) выключает компрессор при достижении необходимой температуры.
Ресивер повышает эффективность холодильной установки. Без терморегулирущего вентиля (с капиллярной трубкой) скорость выработки холода является постоянной. И, если она будет слишком большой, компрессор будет часто включаться–выключаться, а если слишком маленькой — охлаждение будет идти слишком долго. Использование ТРВ позволяет изменять скорость охлаждения в больших пределах, но требует наличия ресивера для компенсирования колебаний расхода хладагента.
Различные датчики температуры и давления, управляемые электроникой регуляторы давления и клапаны используются для повышения эффективности устройства и поддержания специфических режимов работы.
Из холода в жар
Чаще всего холодильная машина используется именно для охлаждения — испаритель расположен в охлаждаемом объеме, а конденсатор вынесен в окружающую среду. Так работают кондиционеры, холодильники и морозильники. Но холодильный контур не только поглощает тепло на испарителе, но и выделяет его на конденсаторе. Нельзя ли использовать холодильную машину «наоборот» — для обогрева, расположив конденсатор в обогреваемом помещении, а испаритель вынеся наружу?
Еще как можно. Холодильная машина использует электроэнергию не для непосредственного нагрева (как ТЭН), а для переноса тепла, поэтому эффективность ее выше, чем у обычного электронагревателя. Многие современные кондиционеры могут работать «наоборот», используя теплообменник внутреннего блока как конденсатор, а теплообменник внешнего блока – как испаритель. В таком режиме на 1 кВт потребленной мощности кондиционер может произвести 2–6 кВт тепла. Греть комнату кондиционером может быть значительно выгоднее, чем электрообогревателем!
В местах с более холодным климатом в последнее время все большую популярность получают тепловые насосы – паровые компрессорные холодильные машины, у которых испаритель помещен под землю на глубину, большую глубины промерзания. Поскольку там всегда сохраняется положительная температура, эффективность теплового насоса не зависит от времени года. Такие устройства намного экономичнее электрических обогревателей и могут использоваться для отопления жилища круглый год при любой температуре. К сожалению, высокая стоимость тепловых насосов пока препятствует их популярности.
Виды компрессоров
Поршневые компрессоры устанавливаются в основном в холодильниках и морозильниках. В большинстве моделей поршень приводится в движение обычным электродвигателем, двигающим поршень через шатунно-кривошипный, кулачковый или кулисный механизм.
Существуют также электромагнитные (линейные) поршневые компрессоры. В них цилиндр расположен внутри катушки, создающей электромагнитное поле, которое приводит в движение поршень.
Поршневые компрессоры способны создавать высокое давление, обеспечивая большой перепад температур на испарителе и конденсаторе. Кроме того, обычный поршневой компрессор имеет достаточно простую конструкцию, не требующую высокой точности изготовления деталей, соответственно стоят они недорого. Однако недостатков у поршневых компрессоров тоже хватает:
Поэтому поршневой компрессор можно повторно запускать только через несколько минут после остановки, когда давление в системе выровняется. Защитой от повторного пуска снабжены далеко не все модели, поэтому холодильное оборудование рекомендуется подключать через реле времени с задержкой включения в 5–10 минут.
Ротационные компрессоры (иногда называемые роторными) создают давление за счет изменяющегося зазора между вращающимся ротором и корпусом компрессора.
Существуют различные модификации этого вида компрессоров — с эксцентричным ротором, с подвижными лепестками, с качающимся ротором, спиральный и т. п.
Все они обладают небольшими габаритами, низким уровнем шума и увеличенным ресурсом за счет снижения количества подвижных деталей. К недостаткам этого вида можно отнести сложность изготовления (ротор и корпус должны быть изготовлены с высокой точностью) и низкое максимальное давление. Такие компрессоры чаще используются в климатической технике, для которой не требуется создавать очень низкую температуру.
Ротационными и поршневыми список компрессоров не исчерпывается — существуют еще центробежные, винтовые, кулачковые и другие. Но в бытовой технике они используются реже.
Вне зависимости от вида компрессор может быть неинверторным (стандартным) или инверторным. У обычных компрессоров скорость вращения двигателя постоянна, для поддержания заданной температуры он периодически включается и выключается. В инверторных компрессорах двигатель подключен через частотный преобразователь (инвертор), с помощью изменения частоты напряжения меняющий скорость вращения электродвигателя. Такой компрессор поддерживает заданную температуру выставлением нужной скорости вращения. Инверторные компрессоры дороже, но экономичнее, эффективнее и имеют больший ресурс.
Типы хладагентов
Чем ниже температура кипения хладагента, тем более низкую температуру можно получить на испарителе холодильной машины. Однако, понизить температуру в морозильнике, просто поменяв фреон на более «холодный», скорее всего, не выйдет — хладагенты с низкой температурой кипения требуют большего давления для конденсации. Компрессор, рассчитанный на фреон с высокой температурой кипения, просто не сможет создать такое давление. Поэтому при замене хладагента следует придерживаться рекомендаций из инструкции, и не заправлять хладагент с характеристиками, сильно отличающимися от рекомендованных.
В бытовых устройствах чаще всего используются следующие хладагенты:
Фреон R22 (хладон 22, хлордифторметан) до недавних пор часто использовался в холодильных и морозильных установках. Обладает достаточно низкой температурой кипения (-40,8°С), при утечке возможна дозаправка системы. Однако из-за вреда, наносимого окружающей среде (разрушение озонового слоя) R22 в последнее время используется редко, а во многих странах вообще запрещен.
R600a (изобутан) все чаще используется в холодильной технике вместо менее экологичного R134. Его преимуществами являются низкое давление конденсации и высокая удельная теплота парообразования – холодильники, использующие этот фреон, дешевле и экономичнее. Однако из-за высокой температуры кипения (-12°С) заправленную им технику нельзя использовать на улице при отрицательных температурах.
Следует также помнить о том, что каждый тип фреона требует использования определенного вида масла для смазки деталей компрессора. Обычно тип (а иногда и марка масла) приводятся в сопроводительной документации к фреону. Использование других масел может привести к поломке компрессора.
Как видно, ничего сложного в холодильной технике нет, а понимание принципов ее работы может значительно продлить жизнь технике, позволить сэкономить на электроэнергии и уберечь от неправильных действий, могущих привести к поломке прибора.