Народна Освіта » Фізика » § 16. Холодильні машини. Кондиціонер.

НАРОДНА ОСВІТА

§ 16. Холодильні машини. Кондиціонер.

Теплові насоси

 

Холодильна машина - це тепловий двигун, який працює «навпаки» (мал. 16.1). Робоче тіло (спеціальний газ: фреон чи аміак) забирає теплоту Q2 від холодильника (морозильної камери і продуктів, які там знаходяться) і передає теплоту Q1 нагрівнику, яким служить навколишнє середовище (кімната). При цьому справедливе співвідношення: Q= Q2+ Ae^ “ 4е Робота, яку виконує електродвигун компресора.

Тип холодильника, яким ми користуємося вдома, називається парокомпресорним. Він складається з двох трубчастих змійовиків і компресора (мал. 16.2). Один змійовик (А) знаходиться в морозильній камері, там же знаходиться розширювальна трубка (V) і термочутливий пристрій, наприклад, реле з біметалевою пластинкою, яка періодично вмикає і вимикає компресор. Другий змійовик (В) знаходиться на задній стінці корпусу холодильника. В нижній частині корпусу розміщується компресор (К), який приводиться в рух електродвигуном.

У циліндрі компресора газ стискується поршнем, підвищуючи при цьому свої температуру і тиск. Частина теплоти Q1 «скидається» газом високого тиску в теплообміннику [В). При переході з вузької частини трубки в широку (V) газ різко розширюється. При цьому він настільки охолоджується, що на деякий час перетворюється на рідину. Забираючи теплоту Q^ від продуктів у морозильній камері, рідина знову перетворюється на газ.

При низькому тиску газ нагнітається в циліндр компресора, де знову виконується робота А, щоб стиснути газ, і все повторюється спочатку. Коефіцієнт ефективності холодильної машини η (читається «ета») визначається відношенням кількості теплоти g,, яку забрано від продуктів у морозильній камері, до роботи A1 яку виконує електродвигун компресора:

 

У промислових холодильних машинах замість компресора використовують турбіни, таку конструкцію вперше запропонував радянський учений Петро Капіца. У наукових лабораторіях для отримання зрідженого водню (-253°С) та гелію (-269°С) використовують машину Лінде, названу так на честь німецького фізика та інженера Карла Лінде. Існують також інші конструкції холодильних машин та апаратів, про які ми розповімо пізніше.

Кондиціонер. Кондиціонер - це та сама холодильна машина (мол. 16.2), в якій морозильна камера (змійовик А) обдувається повітрям. Вентилятор переганяє повітря в приміщення, а теплообмінник В віддає теплоту в атмосферу.

Деякі моделі кондиціонерів можна переключати в режим нагрівача, тоді вони можуть взимку обігрівати приміщення. Компресор (K) переганяє холодильний газ по замкнутому контуру (мал. 16.3), а вентилятор (W) обдуває морозильну камеру (влітку) або теплообмінник (узимку), направляючи холодне (або тепле) повітря в приміщення.

Тепловий насос. Якщо морозильну камеру помістити на зовнішній стороні будівлі, а теплообмінник - усередині, то така холодильна машина буде перекачувати теплоту в приміщення, забираючи її від атмосфери. Такий спосіб обігрівання запропонував свого часу англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін), назвавши свій пристрій тепловим насосом. Коефіцієнт перетворення теплового насоса підраховується за формулою:

де А- робота, яку виконує компресор. Чим більше теплоти Q1 насос віддає кімнаті, тим краще. Використання теплового насоса для обігрівання є економічно вигідним (див. приклад 16.1). Нині випускаються теплові насоси, які влітку використовуються як кондиціонери, а взимку - як обігрівачі (мал. 16.3). Одним поворотом перемикача можна змінити функцію такого приладу.

ПРИКЛАД 16.1

Нехай у повітря назовні охолоджувальна камера забрала 1000 Дж енергії і передала її у вигляді тепла в кімнату, причому компресор затратив на це роботу 250 Дж. Таким чином, кімната отримала 1000 Дж + 250 Дж тепла.

Теплові машини і екологія довкілля

Забруднення навколишнього середовища - один із головних недоліків теплових двигунів. Забруднення можна класифікувати. Проблемами охорони навколишнього середовища займається наука екологія.

Хімічне і фізичне забруднення. Велика сучасна теплова електростанція споживає десятки тисяч тонн вугілля за добу. Висота труб, якими викидаються продукти згоряння, досягає 300 м, а ступінь очищення викидів - до 99,96 %. Попри це, в атмосферу потрапляють тонни шкідливих речовин, наприклад сірки. Змішуючись із водою в хмарах, вони випадають пізніше кислотними дощами.

Двигуни внутрішнього згоряння і реактивні двигуни також забруднюють середовище продуктами згоряння палива. Особливо сильно забруднюють атмосферу реактивні двигуни літаків і ракет. Крім того, теплові двигуни, спалюючи паливо (вугілля, нафту, газ), буквально знищують багатство, що отримало пюдство від попередніх геологічних епох.

 

 

Теплове забруднення. Теплові двигуни обігрівають довкілля, скидаючи «відпрацьовану» теплоту в холодильник або в атмосферу (яка в цьому випадку відіграє роль холодильника). Крім того, частинки викидів зависають в атмосфері і відбивають назад тепло, яке випромінює земна поверхня, створюючи так званий «парниковий ефект».

Сьогодні ніхто не може чітко передбачити можливі наслідки зміни клімату, спричинені цими процесами. Деякі речовини, що використовуються в теплових двигунах і холодильниках (зокрема фреони), потрапляючи в атмосферу, зумовлюють зменшення товщини озонового шару, який захищає нас від ультрафіолетового випромінювання Сонця. Фреони - фторохлорні похідні метану, наприклад, дихлордифторметан (CCI2F2) - вступає в реакцію з озоном (O3), перетворюючи його на кисень (O2).

Шумове забруднення. Теплові двигуни шумлять, стомлюючи нервову систему людини. Прислухайтесь, якою шумною буває авто-страда під час інтенсивного руху.

Радіоактивне забруднення. Використання AEC стало звичайною справою. Для роботи потужної атомної станції протягом року потрібно не більше двох вагонів урану чи плутонію. Водночас на ТЕС поїзди з вугіллям заходять один за одним цілодобово. Проте Чорнобильська аварія показала, наскільки небезпечною є неправильна експлуатація атомних реакторів. Але навіть при безаварійній роботі станції існує постійна проблема поховання радіоактивних відходів.

Шляхи зменшення забруднення навколишнього середовища

1.    Головний спосіб - це підвищення ККД теплових машин. Американці підрахували, що перехід на більш економні ДВЗ дасть їм змогу зекономити стільки нафти, скільки вони зараз завозять із країн Перської затоки.

2.    Пряме перетворення теплоти в електрику зменшує проміжні втрати енергії і збільшує ККД теплової станції. На ТЕС теплова енергія перетворюється в механічну енергію турбіни, а потім - в електроенергію. У нашому столітті повинні надійти в експлуатацію потужні прямі перетворювачі теплоти в електрику, так звані МГД-генератори, про які ми вже згадували.

3.    Підвищення ступеня очищення шкідливих викидів. Це електричні фільтри, каталізатори на вихлопних трубах автомобілів та багато іншого.

4.    Перехід на більш «чисті» види палива. Так, використання природного газу і спирту в ДВЗ істотно зменшує забруднення повітря.

5.    Перехід на нові види палива, наприклад водень. Продуктом згоряння водню є вода. Перехід на воднево-кисневі двигуни ракет-носіїв «Спейс-Шатл» та «Енергія» показав шляхи розв'язання цієї проблеми. Повністю екологічно чистими є ракети ланки «Зеніт SL» українського виробництва.

6.    Використання електродвигунів на транспорті. На залізницях, метро, міському транспорті вони вже давно застосовуються. Досягнення науки у створенні легких і потужних акумуляторів дасть змогу використовувати електродвигуни на автомобілях.

7.    Використання альтернативних джерел енергії: сонячних, вітрових, геотермальних, припливних та інших електростанцій.

8.    Перехід на енергозберігаючі технології, при яких споживання енергії значно знижено. Особливо це стосується металургійної і хімічної промисловості та транспорту.

9.    У багатьох країнах сміттєзвалища служать джерелом отримання добрив, будівельних матеріалів. Гази, які виділяються у процесі гниття харчових відходів, використовують на невеликих теплових станціях для виробництва електричної енергії.

10.    На швидкісних автострадах, у тих місцях, де вони проходять поблизу населених пунктів, можна бачити високі щити, що тягнуться суцільною стіною. Вони відбивають звук, зменшуючи шумове забруднення в населених пунктах. Крім того, ДВЗ можна робити менш шумними за рахунок збільшення кількості циліндрів та удосконалення глушника.

ТВОРЧІ ЗАВДАННЯ

16.1.    Напишіть невеликий реферат, порівнявши переваги і недоліки AEC і ТЕС.

16.2.    Оцініть зменшення споживання бензину автомобілями в місті з мільйонним населенням при підвищенні ККД двигунів на 1%.

ВПРАВА №16

1.    У якому випадку можна назвати кондиціонер тепловим насосом?

2.    Опишіть робочий цикл холодильної машини.

3.    З яких основних частин (блоків) складається домашній холодильник?

4.    Доторкніться до змійовика теплообмінника вашого холодильника. Чому він теплий?

5.    До появи сучасних холодильників користувались ящиками з льодом. Які властивості льоду при цьому використовувались?

6.    Який буде ефект, якщо ввімкнути в приміщенні холодильник, який ще не працював, залишивши відкритими його дверцята? У кімнаті стане прохолодніше, тепліше чи температура не зміниться?

7.    За 1 с в морозильній камері у продуктів відбирається теплота, яка дорівнює 600 Дж. Компресор за той самий час виконує роботу 200 Дж. а) Яка теплова потужність передається теплообмінником навколишньому середовищу? б) Чому дорівнює ефективність роботи машини як холодильника? в) Чому дорівнює ефективність роботи машини як теплового насоса?

8.    Які шкідливі наслідки від роботи ТЕС?

9.    Як борються із шумом на швидкісних автострадах?

10.    Як впливає парниковий ефект на клімат планети?

11.    Які переваги розведення риби в ставках, де використовується відпрацьована на ТЕС тепла вода?

12.    Чому підвищення ККД теплових двигунів сприяє зменшенню забруднення довкілля?

13.    Чи зменшить забруднення навколишнього середовища використання водню як пального?

14.    Чиє тепловий насос енергозберігаючим винаходом?

15.    Чому людству необхідно заощаджувати вугілля і нафту?

16.    Припустимо, що ТЕС споживає 100 000 т бурого вугілля за добу, а ступінь очищення диму становить 99,96 %. На скільки зменшаться викиди шкідливих відходів (в кг) за добу, якщо збільшити ступінь очищення на 0,01 %?

ПІДСУМКИ РОЗДІЛУ І

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

 

11.

12.

 

13.

 

14.

 

15.

 

16.

 

17.

 

18.

 

19.

 

20.

 

21.

 

22.

 

ЗАВДАННЯ ДО РОЗДІЛУ І

І. Тестові завдання.

Виберіть правильний варіант відповіді: 1. Один нанометр це:

А

Б

В

Г

2. Молекула води складається з:

А

Б

В

Г

3. Назвіть основну причину того, що дифузія в газах відбувається найшвидше:

А

Б

В

Г

4. Яке застосування мають мономолекулярні плівки:

А

Б

В

Г

5. Що більше, один градус Цельсія, чи один градус Кельвіна:

А

Б

В

Г

6. Який префікс вказує на одну мільйонну частину даної величини:

А

Б

В

Г

7. Розташуйте фізичні величини в тому ж порядку, в якому вказані їх одиниці вимірювання: м, Дж,°С, Дж/(кг-К). 1. температура; 2. енергія; 3. питома теплоємність; 4. відстань.

А

Б

В

Г

 

8. Термометр показує 17°С. Запишіть цю температуру в градусах Кельвіна:

А

Б

В

Г

 

9. Установіть відповідність між назвою фізичної величини та літерою, якою її традиційно позначають в таблиці Ί.Результати впишіть в клітиночки таблиці 2.

 

Таблиця 1

1

Питома теплоємність

А

2

Кількість теплоти

Б

3

Теплоємність тіла

В

4

Абсолютна температура

Г

   

Д

 

Таблиця 2

 

А

Б

В

Г

Д

1

         

2

         

3

         

4

         

 

10. На скільки нагріється 1 кг води, що отримав 2100 Дж тепла:

А

Б

В

Г

 

11. Яка кількість теплоти (в Дж) виділяється під час охолодження 1 кг алюмінію на 10°С? Питома теплоємність алюмінію 920 Дж/(кг-К).

А

Б

В

Г

 

12. Автомобільний двигун отримав від спалювання однієї порції горючої суміші 20 кДж енергії і виконав за один робочий хід роботу 8 кДж. Який ККД двигуна:

А

Б

В

Г

 

II. Задачі

Дайте розгорнуту відповідь на наступні задачі:

1.    У відрі з водою плаває кусок льоду, маса якого дорівнює масі води. Температура повітря в приміщенні, льоду і води становлять 0°С. а) Чи розплавиться лід? б) Чи замерзне вода? в)* За умови рівності мас води і льоду - чия внутрішня енергія більша?

2.    Для приготування ванни, місткість якої 200 л, змішали холодну воду при 10°С з гарячою при 60°С. Який об'єм гарячої води потрібен, щоб у ванні встановилася температура 40°С?

3.    Сталева пилка масою 200 г під час роботи протягом 50 с нагрілася на 100°С. Вважаючи, що на нагрівання пилки пішло 80% усієї затраченої енергії, визначте корисну потужність пили.

4.    На скільки градусів нагріється мідне тіло масою 200 г, якщо йому надати такої самої кількості теплоти, яка йде на нагрівання 10 г олова від 20 до 232°С? Cojiom = 0,23 кДжДкг · К).

 

5.    У калориметр, що містить 250 г води при температурі 30°С, помістили гарячий металічний предмет, в результаті чого встановилася температура 40°С. Визначте відносну похибку вимірювання температури за вказаними шкалами термометрів а) до та б) після підвищення температури. Обчисліть кількість теплоти (в кДж), яку в) отримала вода, г) віддало тіло. Теплоємність калориметра дорівнює 50 Дж/К. Питома теплоємність води 4 200 Дж/(кг К). Тепловими втратами можна знехтувати.

6.    У заглибину, зроблену в брилі льоду, яка має температуру 0°С, вливають 200 г окропу. Скільки льоду розтануло, якщо вода охолола до температури 0°С? Вважайте, що втрати тепла становлять 20%.

7.    На скільки міліметрів збільшиться довжина мідної лінійки завдовжки 1 м при нагріванні на 10°С?

8.    Чому холодно, коли в спеку заходиш у воду водоймища і знову прохолодно, коли виходиш?

9.    Скільки водяної пари, що має температуру 100°С треба сконденсувати, щоб нагріти 1 кг води на 10°С?

10.    Яка причина того, що взимку під льодом у водоймищі температура води не опускається нижче 4°С?

11.    Назвіть декілька відмінностей і декілька переваг двигуна Стірлінга порівняно з двигуном Дизеля.

12.    Температура тіла збільшилася від 27°С до 527°С. У скільки разів збільшилася середня кінетична енергія молекул цього тіла?

В атмосфері ми спостерігаємо такі природні електричні вища, як блискавка чи північне сяйво. Зрідка можна також спостерігати мало вивчену кулясту блискавку та «вогні святого Ельма». Електричні вугрі і скати - жителі водних глибин використовують електрику для захисту і нападу. Наш мозок і нервова система працюють завдяки електричним імпульсам, що рухаються по нервах; скорочення м'язів також відбуваються за рахунок сил електричного походження.

Електрика й електричні явища вже стали звичними в нашому житті та побуті. Ми щоденно використовуємо різні електричні прилади і пристрої. Назвемо деякі з них: електричне освітлення, електричні двигуни і генератори, електротранспорт, електростанції; радіо і телебачення; стаціонарні та мобільні телефони, комп'ютери, сканери, принтери, ксерокси тощо.

В основі перерахованих явищ, роботи електричних приладів, агрегатів і пристроїв лежать певні принципи і закони, які вивчає такий розділ фізики, як «Електрика».

 

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка 

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 11-08-2016, 14:14, посмотрело: 4717