Холодильный цикл Карно

Этот цикл состоит из двух изотермических и двух изоэнтропийных процессов и является верхом термодинамического совершенства, так как все процессы в нём обратимы. Холодильный цикл Карно показан на рис. 3.

 

Рис. 3. Холодильный цикл Карно

Теплота q_О, отводимая от источника низкой температуры подводится к рабочему телу в изотермическом процессе при бесконечно малой разности температур:

 

,

 

что эквивалентно площадке .

 

Теплота q, воспринимаемая окружающей средой при температуре Т_ОС отводится от рабочего тела в изотермическом процессе 2–3 при бесконечно малой разности температур:

 

,

 

что эквивалентно площадке .

 

Для передачи теплоты с низкого температурного уровня на уровень окружающей среды нужно затратить работу. Исходя из второго закона термодинамики, работа цикла равна:

 

,

 

,

 

тогда .

 

Работа цикла эквивалентна площадке 1–2–3–4.

Для энергетической оценки холодильного цикла используют холодильный коэффициент, который показывает, какое количество теплоты отводится от источника низкой температуры на единицу затраченной работы:

 

или

.

Из выражения для холодильного коэффициента видно, что его значение будет тем выше, чем меньше разность температур . С другой стороны, величина холодильного коэффициента непосредственно связана с работой цикла l. Работа цикла обратно пропорциональна холодильному коэффициенту. Таким образом, чем больше холодильный коэффициент, тем меньше затраты работы на получение единицы холода. При заданной температуре окружающей среды с понижением температуры источника низкой температуры увеличивается затрата работы. характеризует термодинамическую ценность холода. Подставив реальные значения температур в выражение холодильного коэффициента можно отметить, что холодильный коэффициент изменяется от 0 до ∞. И последнее, холодильный коэффициент цикла Карно зависит только от температур и не зависит от свойств рабочего тела.

Эффективность цикла теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом:

 

,

 

где q_Г – теплота отводимая от рабочего тела при температуре горячего источника Т_Г.

При постоянстве температуры Т_ОС работа цикла теплового насоса увеличивается с повышением Т_Г.

Действительные циклы, совершаемые в холодильных машинах, необратимы и требуют больших энергетических затрат. Необратимость циклов возникает в результате наличия трения, а также нарушения термического и механического равновесия системы.