Термотрансформаторы

Исходя из положений второго закона термодинамики, можно заключить, что применяемый на практике способ получения теплоты путем сжигания топлива и передачи полученной теплоты теплоносителю является весьма не­рациональным.

В самом деле, температура горячих газов обычно равна 1000° С и выше. Тогда как температура теплоносителя, применяемого, например, для целей отопления, составляет около 100° С. При переходе теплоты от источника с температурой 1000 ° С к рабочему телу с температурой 100 °С происходит большая потеря работоспособности теплоты, что связано с необратимым те­плообменом при конечной разности температур. Причем потеря работоспо­собности нежелательна не только при получении работы, но и при непосред­ственном использовании теплоты, например, для нужд отопления.

С использованием устройств, называемых термотрансформаторами, принципиально возможно, имея некоторое количество теплоты при высокой температуре, без затраты работы получить большее количество теплоты при более низкой температуре с работоспособностью, равной работоспособности первоначального количества теплоты.

Работоспособность теплоты q, взятой от источника с температурой T ₁, оп­ределяется по формуле

,

где T ₀ - температура окружающей среды, w ₁ - полезная работа, которую можно получить при использовании теплоты q ₁в прямом обратимом цикле Карно, выполняемом между источником теплоты высокой температуры и ок­ружающей средой. Затратив эту работу в обратном обратимом цикле Карно (тепловой насос), осуществляемом между источниками с температурами Т ₀и T ₂, получим

.

Отсюда

,

или

,

где - теоретический коэффициент преобразования теплоты от

температуры Т ₁к температуре T ₂.

Последнее соотношение показывает, что q ₁Дж теплоты при температуре T ₁ эквивалентны q ₂Дж при температуре Т ₂. Так как то .

Порядок величины ψ покажем на примере решения конкретной задачи при следующих исходных данных: t ₁= 1000° С; t ₂= 50°С; t ₀ = 0°С. Коэффи­циент ψ при таких условиях равен примерно 5. Таким образом, для того, чтобы получить 5 Дж теплоты при температуре 50°С, следует затратить лишь 1 Дж при t ₁=1000°C. Тогда как в обычной отопительной установке 1 Дж те­плоты при высокой температуре переходит в такое же количество теплоты при низкой температуре. Следовательно, с термодинамической точки зрения отопительная установка, необратимо передающая теплоту от источника с температурой t ₁= 1000°С к источнику с температурой t ₂= 50°С, в 5 раз ме­нее экономична, чем обратимая теплопреобразующая установка.

Если термотрансформатор предназначен для получения теплоты при бо­лее низкой температуре, чем исходная, то он будет понижающим. Повы­шающий термотрансформатор позволяет получить теплоту при более высо­кой температуре, чем исходная.

В общем случае цикл всякого термотрансформатора представляет из себя сочетание прямого и обратного циклов. В рассмотренной выше схеме в уста­новку входили тепловой двигатель, производящий работу, и тепловой насос, потребляющий ее. Рассмотрим последовательность работы установки, в ко­торой в качестве термотрансформатора используется абсорбционная холо­дильная машина. В этой установке (работой насосов пренебрегаем) за один цикл в парогенераторе (котле) при температуре t _п затрачивается теплота q _п. В испарителе при температуре t ₁поглощается теплота q. В конденсаторе и абсорбере при температуре t₂ выделяется теплота q _K+ q _а. Если температура испарителя равна температуре окружающей среды, а отвод теплоты в кон­денсаторе и абсорбере происходит при температуре t ₂ < t _п, то абсорбционная машина будет представлять понижающий термотрансформатор, который преобразует некоторое количество теплоты q _пс температурой t _пв большее количество теплоты q _K+ q _aс более низкой температурой.

Коэффициент преобразования такого трансформатора будет

Этот коэффициент будет меньше теоретического ввиду того, что процес­сы в абсорбционной установке отклоняются от идеальных. Отметим, что об­ращенная абсорбционная установка может быть использована и как повы­шающий термотрансформатор.