Тепловые и холодильные машины

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 Q _X является 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:

.

Термодинамический цикл, осуществляемый в обратном направлении. может быть использован для работы холодильной машины.

В холодильной машине внешние тела совершают работу А^’ над рабочим телом и происходит отвод теплоты Q _ОХЛ от охлаждаемого тела и передача теплоты Q _ТР (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 Q _ОХЛ отводится 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.