10. Холодильные машины. Тепловой насос

Холодильными машинами

называют термодинамические системы, которые периодически совершают обратный круговой процесс и служат для передачи количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, используя для этого работу окружающих тел над рабочим телом.

Они могут быть использованы для поддержания в некотором объёме камеры машины более низкой температуры, чем снаружи.



Наиболее эффективным круговым процессом опять можно выбрать цикл Карно, но теперь он должен совершаться в обратном направлении (см. рис. 21).


Пусть вновь более нагретое тело имеет температуру Т2Т_2 (атмосфера), а менее нагретое Т1Т_1 (морозильная камера). Именно в нём и нужно поддерживать более низкую температуру, периодически отбирая у него часть внутренней энергии. Отобранную энергию нужно передавать более нагретому телу, т. е. окружающей среде.

Aзатрач=-Aза цикл'=Q2-Q1A_\mathrm{затрач}=-A_{\mathrm{за}\;\mathrm{цикл}}^'=Q_2-Q_1.


Полезным действием в таком круговом процессе будет передача теплоты в первом процессе от охлаждаемого тела к рабочему телу Q1Q_1.

Эффективность такой теплопередачи характеризует холодильный коэффициент:

холодильный коэффициент

η=Q1Q2-Q1\boxed{\eta=\dfrac{Q_1}{Q_2-Q_1}}— холодильный коэффициент,

или       

η=T1T2-T1\boxed{\eta=\dfrac{T_1}{T_2-T_1}}— холодильный коэффициент для цикла Карно.


Если применить холодильник (как агрегат) для обогрева помещения, то для этого будет необходимо:

1) количество теплоты Q2Q_2, ранее передаваемое в окружающую среду, передавать теперь в обогреваемое помещение и

2) забирать теплоту не у морозильной камеры, а у окружающей среды (атмосферы). Такой агрегат называют тепловым насосом. Теперь полезным окажется именно Q2Q_2, а затраченным вновь Q2-Q1 Q_2 - Q_1 .

По аналогии с холодильным коэффициентом, теперь уже отопительный коэффициент можно записать в виде:

отопительный коэффициент

η=Q2Q2-Q1\boxed{\eta=\dfrac{Q_2}{Q_2-Q_1}} — отопительный коэффициент, или


η=T2T2-T1\boxed{\eta=\dfrac{T_2}{T_2-T_1}} — отопительный коэффициент для цикла Карно.


Нетрудно догадаться, что полученные коэффициенты могут оказаться больше единицы, т. е. больше `100%`. Это вполне нормально. Наибольшее значение коэффициента будет тогда, когда температура в помещении мало отличается от температуры улицы (или температура морозильной камеры близка к комнатной). Для отопительного коэффициента значения лежат в интервале от `2` до `12`. Это означает, что в комнату будет передано в `2-:12` раз больше теплоты, чем затрачено электрической энергии. Препятствием к широкому применению таких агрегатов является дороговизна их изготовления.