Холодильные машины и тепловые насосы являются тепловыми машинами, функционирующими на основе обратного термодинамического цикла. В отличие от тепловых двигателей, преобразующих теплоту в работу, они потребляют внешнюю работу для переноса тепла от холодного тела к горячему, вопреки естественному направлению теплообмена. Основным физическим принципом их работы является второе начало термодинамики, согласно которому для переноса тепла от более холодного тела к более горячему необходимо затратить энергию.
Наиболее часто в теоретических моделях холодильных машин используется обратный цикл Карно. Цикл включает следующие стадии:
Такой обратный цикл позволяет удалить теплоту $Q_2$ от тела с температурой $T_2$, затратив на это работу $A$ и передав теплоту $Q_1$ телу с температурой $T_1 > T_2$.
Для оценки эффективности холодильной машины вводится коэффициент холодильной эффективности (холодильный коэффициент, ХКЭ):
$$ \varepsilon_{\text{хол}} = \frac{Q_2}{A} $$
где:
Для обратного цикла Карно этот коэффициент выражается через температуры:
$$ \varepsilon_{\text{хол}}^{\text{Карно}} = \frac{T_2}{T_1 - T_2} $$
Из этого выражения видно, что максимальная эффективность достигается при минимальной разности температур $T_1 - T_2$, то есть при минимальной температурной "ступеньке" между телами.
Тепловой насос — устройство, аналогичное холодильной машине, но его главная задача — не охлаждение, а нагревание помещения или среды. Работа теплового насоса также основывается на обратном термодинамическом цикле, но полезным считается не отведённое тепло, а тепло, переданное нагревателю.
Коэффициент полезного действия теплового насоса (тепловой коэффициент, ТКЭ):
$$ \varepsilon_{\text{нас}} = \frac{Q_1}{A} $$
где:
Для идеального теплового насоса (по циклу Карно):
$$ \varepsilon_{\text{нас}}^{\text{Карно}} = \frac{T_1}{T_1 - T_2} $$
Таким образом, эффективность теплового насоса всегда больше единицы, что делает его особенно привлекательным для отопления помещений при умеренных перепадах температур.
В технике наибольшее распространение получил цикл сжатия-парового типа (циклический процесс с фазовыми переходами):
Этот цикл широко применяется в бытовых и промышленных холодильниках, кондиционерах, а также в тепловых насосах.
Согласно первому закону термодинамики:
$$ A = Q_1 - Q_2 $$
Таким образом, работа, затрачиваемая на цикл, определяется разностью между переданным теплом и отведённым. Поскольку цикл работает в обратном направлении по сравнению с тепловым двигателем, то работа должна подводиться извне.
Работа компрессора, как правило, подводится в виде электрической энергии. Это создаёт предпосылки для анализа эффективности с учётом затрат энергии, особенно в энергетике и климатической технике.
Чем ниже температура холодильника $T_2$, тем труднее отвести от него тепло, и тем больше требуется затрат работы. Поэтому холодильные машины теряют эффективность при экстремально низких температурах.
Наибольший коэффициент теплопроизводительности достигается при минимальном температурном перепаде между источником (например, наружным воздухом или грунтом) и помещением. Это объясняет широкое применение тепловых насосов «грунт–вода» и «вода–вода», где температура источника тепла выше, чем у воздуха зимой.
Работа холодильных машин строго подчинена неравенству Клаузиуса, которое в обобщённом виде формулируется как:
$$ \oint \frac{\delta Q}{T} \leq 0 $$
Для обратимых циклов равенство достигается. Это означает, что перенос тепла от тела с температурой $T_2$ к телу с температурой $T_1 > T_2$ невозможен без затрат работы. Поэтому все холодильные машины требуют внешнего источника энергии для функционирования.
С точки зрения эксергетики, работа холодильной машины позволяет поднять энергию, низкопотенциальную по температуре, на более высокий уровень. Однако в реальных установках существенную роль играют тепловые потери, трения, теплопроводность, а также необратимости фазовых переходов.
Эксергетический КПД холодильных машин существенно ниже идеального. Он выражает отношение реального потока холода к максимально возможному по законам термодинамики.
Современные холодильные и тепловые насосные установки используют различные хладагенты (фреоны, аммиак, углекислый газ и др.). Выбор хладагента зависит от:
Современные технологии стремятся к снижению экологического ущерба за счёт перехода на натуральные хладагенты и новых схем с минимальной утечкой вещества.
Холодильные машины и тепловые насосы находят широкое применение в:
Их применение позволяет существенно сократить затраты энергии, особенно при грамотной интеграции в системы теплообеспечения.