Лабораторная работа №73.
Изучение работы теплового насоса (холодильной машины)
Составители: Г.А. Бугнина, к.ф.-м.н., доцент
О. В. Сергеева, к.ф.-м.н., доцент
Рецензент: И. А. Малиненко, к.ф.-м.н., доцент
Цели работы:
Изучить основные понятия и законы термодинамики
Ознакомиться с термодинамическими принципами работы теплового насоса (ТН) компрессорного типа;
Задачи:
1. Провести термодинамический цикл водо-водяного ТН;
2. Определить эксплуатационные характеристики ТН.
Приборы и принадлежности:
макет теплового насоса,
6 термометров для измерения температуры в интервале от -10°С до +100°С
секундомер цифровой
компрессор
два барометра
два резервуара для воды (холодильник и нагреватель)
мерный стакан для наполнения резервуаров водой
теплопроводящая паста
Теоретическое введение Тепловые и холодильные машины
В основе работы тепловых и холодильных машин лежат круговые или циклические процессы, в результате которых термодинамическая система периодически возвращается в исходное состояние. В ходе цикла внутренняя энергия топлива может быть преобразована в механическую энергию, например, в двигателях внутреннего сгорания, в паровых и газовых турбинах. С помощью холодильных машин можно передать теплоту от холодного тела к нагретому телу.
Рабочим телом в тепловых и холодильных машинах бывает газ, пар, или другое вещество, способное легко испаряться и конденсироваться, т.е. способное сильно менять свой объем.
Тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию вещества в механическую энергию, т.е. являются тепловыми двигателями.
Холодильные машины передают теплоту от холодных тел к нагретым телам, их называют тепловыми насосами. В природе такие процессы самопроизвольно не происходят.
Любая тепловая машина работает по замкнутому процессу, т.е. по циклу. Цикл, как правило, состоит из нескольких термодинамических процессов.
Цикл может быть прямым (рис. 1) и обратным (рис. 2).
|
|
Рис. 1. Прямой цикл (по часовой стрелке) C1аC2bC1 |
Рис. 2. Обратный цикл (против часовой стрелки) C1bC2аC1 |
На этапах расширения рабочее вещество совершает положительную работу (А>0) а на этапах сжатия – отрицательную (A<0).
В итоге работа цикла (АЦ) численно равна площади, ограниченной циклом. При этом в прямом цикле (рис. 1) АЦ > 0, в обратном цикле (рис. 2) АЦ < 0.
В любом цикле рабочее вещество (или рабочее тело) периодически возвращается в исходное состояние, поэтому изменение его внутренней энергии за цикл равно нулю: DUЦ = 0. С учетом этого, первое начало термодинамики для циклов можно записать так:
QЦ = АЦ , (1)
где QЦ и АЦ - теплота и работа цикла.
Рабочее тело в ходе цикла контактирует как с нагретыми телами, получая от них тепло QH, так и с холодными телами, отдавая тепло QХ, поэтому
QЦ = QH - QХ = АЦ . (2)
В прямом цикле (рис. 1) АЦ > 0, следовательно и QЦ > 0.
В обратном цикле (рис. 2) АЦ < 0, следовательно QЦ < 0.
Энергетические схемы тепловой и холодильной машин представлены на рис. 3 и 4 соответственно.
|
|
Рис.3. Термодинамическая схема тепловой машины - теплового двигателя |
Рис.4. Термодинамическая схема холодильной машины- теплового насоса. |
Рабочее тело (Р.Т.) тепловой машины получает теплоту QН от нагревателя, и, расширяясь, совершает механическую работу АЦ над внешними телами. Часть теплоты QХ отдается холодным телам (например, в окружающую среду). Уравнение теплового баланса для тепловой машины имеет вид:
QН = АЦ + QХ . (3)
Рабочее тело холодильной машины берет теплоту QХ от холодного тела (холодильника) (рис. 4). Для этого рабочее тело должно быть предварительно охлаждено путем расширения до температуры более низкой, чем температура холодильника: Т £ ТХ. Затем внешние тела сжимают рабочее тело, чтобы температура повысилась до Т ³ ТХ. При последующем контакте рабочего тела с нагревателем теплота QН передается нагревателю.
Эффективность работы тепловых и холодильных машин оценивается термическим коэффициентом полезного действия (η), который равен отношению работы цикла Ац к теплоте нагревателя QН, полученной или отданной за один цикл:
(4)
Это определение не зависит от того, идет ли речь о прямом или об обратном цикле.