Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные превращения, возвращается снова в первоначальное состояние, называются замкнутыми процессами или циклами.
В системах координат, по осям которых откладываются параметры состояния (p – v; T – s; p – i), такие процессы изображены замкнутыми контурами. За начало и конец цикла может быть принята любая его точка, но обычно за начало цикла принимают начало подвода теплоты к рабочему телу.
Различают прямые и обратные термодинамические циклы. Прямые циклы – это циклы тепловых двигателей. В них рабочее тело переносит тепло от нагретого источника к холодному, совершая при этом полезную работу за счет своего расширения (например, в паровой или газовой турбине).
В графиках прямых циклов линия расширения всегда расположена выше линии сжатия, а сам цикл совершается по часовой стрелке.
Назначение холодильных машин – отбирать тепло от охлаждаемого объекта и возвращать его более теплой окружающей среде.
Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, внутри которой циркулируется рабочее тело, называемое холодильным агентом или хладагентом.
Чтобы перенести тепло, необходимо затратить внешнюю энергию на сжатие хладагента. Работа сжатия в холодильных машинах всегда больше работы расширения. Линия сжатия на графиках холодильных циклов располагается выше линии расширения, а сам цикл совершается против часовой стрелки. Поэтому такие циклы называют обратными или холодильными циклами.
Для эффективной работы холодильной машины не безразлично, из каких процессов состоит совершающийся в ней обратный цикл. Стремятся создать такие циклы, в которых получение холода происходит с минимальной затратой внешней энергии.
Наиболее совершенным холодильным циклом является обратный цикл Карло, получивший свое название по имени французского инженера, который предложил и исследовал его в середине 19 века. Этот цикл состоит из двух изотермических (4-1 и 2-3) и двух адиабатных (1-2 и 3-4) процессов.
В изотермическом процессе (4-1) к холодильному агенту подводится тепло от охлаждаемой среды, при этом температура остается постоянной. Точка 1 характеризует состояние паров хладагента, температура которых соответствует температуре охлаждаемой среды. В процессе адиабатного сжатия (1-2), протекающего без теплообмена с окружающей средой, температура и давление паров хладагента возрастают до значений, при которых начинается конденсация их в жидкость. Это состояние характеризуется на графике точкой 2. На этот процесс затрачивается работа. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Тк и сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится в окружающую среду. Точка 3 на графике характеризует состояние, при котором процесс конденсации заканчивается и пары холодильного агента полностью переходят в жидкое состояние.
В адиабатном процессе расширения (3-4) холодильный агент понижает свою температуру от температуры Тк до температуры охлаждаемого объекта То. При этой температуре начинается процесс испарения жидкого хладагента, который протекает при постоянной температуре То и сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования (4-1).
Площадь заштрихованного прямоугольника 1-2-3-4 изображает внешнюю работу l, которую надо затратить для передачи тепла (q0) 1 кг хладагента от охлаждаемого объекта теплой окружающей среде. Отведенное тепло (q0) выражается площадью прямоугольника а-1-4-б.
Цикл Карно является идеальным циклом. Он предполагает, что температура охлаждаемой среды То не понижается, а температура окружающей среды Тк не повышается. Кроме того, в этом процессе предполагается отсутствие разности температур между источниками тепла и холодильным агентом, т.е. То, является температурой кипения холодильного агента и охлаждаемого объекта, а Тк – температура конденсации холодильного агента и окружающей среды.
Практически температура охлаждаемого объекта всегда должна быть выше температуры кипения холодильного агента. Тогда тепло от охлаждаемого объекта самопроизвольно перейдет к более холодному холодильному агенту в процессе 4-1. Температура окружающей среды, т.е. воздуха или воды, должна быть ниже температуры сжатых паров холодильного агента, тогда произойдет охлаждение и конденсация паров.
Исследования показали, что не существует других холодильных циклов, в которых работа, затраченная на передачу тепла от холодного источника к теплому, была бы меньше, чем в цикле Карно.
