ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Образцовые циклы при поддержании постоянной температуры из "Циклы схемы и характеристики термотрансформаторов " Ранее мы указывали на то, что при наличии двух тел с постоянными температурами (источника и приемника тепла) условиям обратимости будет удовлетворять цикл Карно (либо идеальный регенеративный цикл с изотермическими процессами подвода и отвода тепла). Однако это положение требует более подробного анализа с учетом роли термической изоляции, которая, уменьшая в холодильных установках притоки тепла извне, позволяет в ограниченном пространстве поддерживать на постоянном уровне низкую температуру. [c.55] Естественно, что реализовать адиабатную оболочку, т. е. термоизоляцию, вовсе не пропускающую тепла, невозможно. Тем не менее уменьшение притоков тепла через изоляцию приводит к уменьшению расхода энергии на генерацию холода в машине. [c.55] Рассмотрим схему, в которой в качестве исследуемого объекта включена часть пространства, содержащая вещество, которое поддерживается при постоянной низкой температуре, а тепловая изоляция конструктивно выполнена таким образом, что на пути теплового потока установлены теплоотводы (рис. 3-6). В них холод производится при более высоких температурах, чем та, которая поддерживается постоянной в охлаждаемом пространстве (холодильной камере). [c.56] Таким образом, поддержание низкой температуры охлаждаемого объекта осуществляется в нашей схеме не одной холодильной машиной, а серией машин, вырабатывающих холод на разных температурных уровнях. Эти отдельные холодильные машины можно рассматривать как элементы схемы холодильной установки, составляющие единый комплекс. [c.56] Ниже с помощью соотношений неравновесной термодинамики мы проведем анализ условий, при которых необратимые потери в рассматриваемой системе будут минимальны. Этот анализ позволит установить термодинамические образцы для рассматриваемого комплекса. Будем при этом учитывать изменение коэффициента теплопроводности изоляционного материала с температурой. [c.57] Выражения (3-17) и (3-18) определяют функцию Т(х), соответствующую минимальному значению необратимых потерь в изоляции. [c.58] Выражение (3-19) показывает, что в зависимости от характера функции Х Т) меняются условия совместной работы термоизоляции и тепловых (холодильных) машин, обеспечивающие минимум потерь П. Интересно отметить, что если Я, не зависит от температуры или уменьшается при ее понижении, то для достижения минимума П из изоляции необходимо осуществлять отвод тепла. Если же % возрастает при понижении температуры, то в некоторых случаях для получение минимума П в изоляции нужно размещать теплоподводы. При 7 ( A= onst минимум П соответствует отсутствию в изоляции теплоотводов или теплоподводов. [c.58] Коэффициент а зависит от вида изоляционного материала. Выражение (3-25) применимо для большинства типов изоляции. [c.59] Из выражения (3-19) следует, что в случае %(Т)=аТ для получения минимума потерь нужно ввести в изоляцию теплоотводы. При этом удельные тепловые потоки на граничных поверхностях должны быть пропорциональны Т 1 . [c.60] На рис. 3-8 представлена зависимость (3-27). Здесь же нанесена кривая, соответствующая случаю Х = onst. Эти графики показывают, что при изоляции с Х(Т)=аТ эффективность введения внутренних теплоотводов значительно выше, чем для изоляции с Я = = onst. [c.60] Из рис. 3-8 следует, что применение холодильной изоляции с внутренними теплоотводами энергетически целесообразно при 0,35. Эти значения v соответствуют температурам, характерным для криогенной техники. При температуре кипения водорода (v-i= =i 0,067) Пмин/Пс = 0,33 таким образом, введение в изоляцию внутренних теплоотводов позволяет при этих температурах значительно уменьшить потери от необратимости. [c.60] Проведенный анализ не учитывает влияния температуры, при которой генерируется холод, на степень термодинамического совершенства холодильной машины. Опыт свидетельствует о том, что степень термодинамического совершенства применяе.мых криорефрижераторов уменьшается с понижением температуры охлаждаемого объекта. Как показывают расчеты, в этом случае применение изоляции с внутренними теплоотводами приводит к еще большей экономии затрачиваемой энергии по сравнению с изоляцией без теплоотводов. [c.60] Иначе говоря, наиболее целесообразным с точки зрения экономии энергии методом охлаждения в данном случае будет такой, при котором не все тепловые потоки, проходящие через изоляцию в камеру охлаждения, улавливаются по пути, а часть их проникает в камеру. [c.61] Чем ниже температура, поддерживаемая в камере, тем меньшая доля холода должна быть выработана машиной, осуществляющей цикл Карно, и большая доля — машиной, реализующей цикл Лоренца. [c.61] При умеренно низких температурах в камерах (до —100°С) система теплоотводов в изоляции, как показывает анализ, нецелесообразна, так как подавляющая часть холода должна быть выработана при наиболее низкой температуре Гх (т. е. практически все тепло должно быть пропущено в камеру охлаждения). [c.61] Исследования В. Т. Чейляха [53] показали, что для азотных температур в изоляции практически достаточно одного теплоотвода, так как уже при этом исключается подавляющая часть потерь (около 807о). Целесообразно размещать места отвода тепла в изоляции примерно посередине ее толщины, а значение наиболее благоприятной температуры при этом должно быть выбрано среднегеометрическим от температур и Т о. Этот вывод имеет практическое значение, так как он позволяет сравнительно просто сократить потерн при хранении жидкого гелия и водорода. [c.61] Даже в области весьма низких температур система с одним теплоотводом обладает высокой степенью термодинамического совершенства, равной примерно 0,9. Это создает благоприятные условия для сравнительно простого практического применения внутренних теплоотводов. Это означает, что предыдущий вывод о том, что в качестве образцовых циклов для системы изоляции с теплоотводами при поддержании в охлаждаемом пространстве постоянно низкой температуры должен быть выбран как цикл Лоренца, так и цикл Карно, может быть скорректирован. [c.61] Оказывается, что путем сочетания двух циклов Карно, генерирующих холод на разных температурных уровнях, практически возможно создать процессы, достаточно близкие к обратимым. Чем ниже температура, которая поддерживается в охлаждаемом пространстве, тем большая доля холода должна генерироваться на промежуточном уровне и меньшая —при низкой температуре. [c.61] Рассмотрение проблемы образцового цикла для случая поддержания постоянной температуры совместно с процессами, происходящими в термоизоляции, представляет особый интерес при криогенных температурах. Следует иметь в виду, что поддержание низких температур в ограниченном объеме всегда непосредственно связано с качеством изоляции этого объекта от окружающей среды. При проектировании возникает альтернатива применять ли более совершенную изоляцию или увеличивать холодопроизводительность генератора холода. [c.61] Следует отметить, что для системы тепловая изоляция — тепловые двигатели возможная экономия энергии не настолько высока, как в случае обратных циклов. Однако, как показывают расчеты, при высоких температурах, поддерживаемых в камере сгорания, можно существенно сократить необратимые потери через изоляцию. Так, при температурах Ту около 2300 К эти потери можно сократить примерно в 1,5 раза. [c.62] Вернуться к основной статье