4.3 Chłodziarki i pompy ciepła - Fizyka dla szkół wyższych. Tom 2

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:

opisywać chłodziarkę i pompę ciepła oraz wyjaśniać różnice między nimi;
obliczać współczynnik wydajności chłodniczej prostych chłodziarek i pomp ciepła.

W poprzednim rozdziale opisywaliśmy cykle silnika będące procesami odwracalnymi. Każda sekwencja etapów mogła być bez problemu wykonana w odwrotnej kolejności. Teraz będziemy rozważać specjalne typy silników cieplnych, które działają w odwrotnym kierunku. Przykładami takich silników są chłodziarka (ang. refrigerator) i pompa ciepła (ang. heat pump). W przypadku chłodziarki ciepło jest pobierane z zimnego rezerwuaru, a w przypadku pompy ciepła dostarczane do ciepłego rezerwuaru.

Najpierw omówimy chłodziarkę (Ilustracja 4.6), której głównym celem jest obniżenie temperatury jakiegoś ciała do temperatury niższej od temperatury jego otoczenia. Silnik ten pobiera ciepło z zimnego rezerwuaru. Zimnym rezerwuarem dla chłodziarki jest przestrzeń wewnątrz chłodziarki, a w przypadku klimatyzatora przestrzeń wewnątrz budynku.

Rysunek przedstawia schemat chłodziarki lub pompy ciepła. Na dole schematu znajduje się zbiornik o temperaturze T c i wychodzi z niego strzałka skierowana w górę z podpisem Q c. Powyżej jest chłodziarka lub pompa, do której z boku dochodzi strzałka z podpisem W. Z urządzenia wychodzi strzałka skierowana w górę z podpisem Q h, która dochodzi do zbiornika o temperaturze T h.

Ilustracja 4.6 Schemat chłodziarki lub pompy ciepła. Strzałka z podpisem

W

symbolizuje pracę dostarczaną do układu.

Chłodziarka (lub pompa ciepła) pobiera ciepło $Q_{z}$ z zimnego rezerwuaru o temperaturze $T_{z}$ , oddaje ciepło $Q_{c}$ do ciepłego rezerwuaru o temperaturze $T_{c}$ , a praca wykonywana na czynniku roboczym silnika to $W$ , jak pokazano na schemacie. Jednostką obu temperatur jest kelwin. W przypadku lodówki ciepło jest odbierane z żywności wewnątrz lodówki i następnie przekazywane do otoczenia. Praca potrzebna do działania lodówki, za którą potem płacimy rachunki, wykonywana jest przez silniczek przemieszczający czynnik chłodzący. Schemat lodówki znajduje się na Ilustracji 4.7.

Ilustracja 4.7 Schemat działania lodówki. Chłodziwo o temperaturze wrzenia niższej niż temperatura zamarzania wody przepływa cyklicznie przez kolejne elementy (na schemacie zgodnie ze wskazówkami zegara). Ciepło pobierane jest z lodówki w parowniku, gdzie chłodziwo jest odparowywane. Następnie chłodziwo ulega sprężeniu i przepompowywane jest do skraplacza, w którym oddaje ciepło do otoczenia.

Sprawność lub współczynnik wydajności $K_{ch}$ (ang. coefficient of performance) urządzenia chłodniczego to stosunek ciepła usuniętego z ciepłego rezerwuaru do pracy wykonanej przez czynnik roboczy w jednym cyklu pracy

K_{ch} = \frac{Q_{z}}{W} = \frac{Q_{z}}{Q_{c} - Q_{z}} .

4.3

Zauważ, że użyliśmy zasady zachowania energii, $W = Q_{c} - Q_{z}$ , w końcowym kroku obliczeń.

Z kolei sprawność lub współczynnik wydajności $K_{p}$ pompy ciepła to stosunek dostarczonego ciepła do pracy wykonanej przez czynnik roboczy w jednym cyklu i wynosi

K_{p} = \frac{Q_{c}}{W} = \frac{Q_{c}}{Q_{c} - Q_{z}} .

4.4

Ponownie użyliśmy wzoru na zachowanie energii w powyższym równaniu.