Carnotov cyklus, presnejšie vratný Carnotov cyklus, Carnotov obeh (vratný Carnotov obeh) alebo Carnotov proces (vratný Carnotov proces) je ideálny tepelný obeh pozostávajúci z vratných zmien (dvoch adiabát a dvoch izoteriem), ktorý prebieha medzi dvoma zásobníkmi tepla rôznej teploty rovnako ako priamy Carnotov cyklus.
Obrátený Carnotov cyklus však prebieha v p-V diagrame proti smeru hodinových ručičiek. Spotrebúva mechanickú prácu a prenáša teplo zo zásobníka s nižšou teplotou do zásobníka s vyššou teplotou. Obrátený Carnotov cyklus opisuje prácu ideálneho tepelného čerpadla. Carnotov cyklus opisuje prácu ideálneho tepelného stroja a vyvodzuje jeho maximálnu teoretickú účinnosť.
Reverzný Carnotov cyklus kladie základy teórie chladenia a reverzný Carnotov cyklus odhaľuje hranicu koeficientu chladenia klimatizácie (bežne známy ako EER alebo COP).
Princíp fungovania obráteného Carnotovho cyklu
Obrátený Carnotov cyklus pozostáva z dvoch izotermických procesov a dvoch adiabatických procesov. Za predpokladu, že teplota nízkoteplotného zdroja tepla (t.j. chladeného predmetu) je T0 a teplota vysokoteplotného zdroja tepla (t.j. prostredia) je Tk, teplota pracovnej tekutiny je T0 počas procesu absorpcie tepla a Tk počas procesu uvoľňovania tepla, to znamená, že v procese absorpcie tepla a uvoľňovania tepla neexistuje žiadny teplotný rozdiel medzi pracovnou tekutinou a zdrojom chladu a zdrojom tepla s vysokou teplotou, to znamená prenosom tepla sa vykonáva za izotermických podmienok a procesy kompresie a expanzie sa vykonávajú bez akejkoľvek straty.
Proces cyklu je nasledovný:
- Izotermická expanzia (4-1): Pracovná látka (napr. chladivo) absorbuje teplo q0 zo studeného zdroja (chladeného predmetu) pri konštantnej teplote T0 a expanduje. Počáteční stav plynu, který je dán tlakem, objemem a teplotou se plyn izotermicky rozpíná. Při tomto rozpínání plyn vykoná na úkor dodaného tepla práci. Teplo je dodáno z okolí (tzv. ohřívač).
- Adiabatická kompresia (1-2): Pracovná látka sa komprimuje bez výmeny tepla s okolím, čo vedie k zvýšeniu jej teploty z T0 na teplotu prostredia Tk. Počáteční stav adiabatické expanze je dán stavovými veličinami, které jsou konečným stavem izotermické expanze. Při adiabatickém rozpínání nedochází k výměně tepla s okolím. Práce, kterou plyn vykoná v této fázi cyklu jde na úkor vnitřní energie.
- Izotermická kompresia (2-3): Pracovná látka odovzdáva teplo qk teplejšiemu zdroju (prostrediu) pri konštantnej teplote Tk a komprimuje sa. Počáteční stav izotermické komprese je dán stavovými veličinami, které jsou konečným stavem adiabatické expanze. Při izotermickém stlačování vykonáváme na plynu práci, která se odevzdává okolí ve formě tepla. Dodaná práce je rovna uvolněnému teplu.
- Adiabatická expanzia (3-4): Pracovná látka sa expanduje bez výmeny tepla s okolím, čo vedie k zníženiu jej teploty z Tk na T0. Pracovná tekutina sa vráti do pôvodného stavu 4, čím sa cyklus dokončí. Počáteční stav adiabatické komprese je dán stavovými veličinami, které jsou konečným stavem izotermické komprese. Při adiabatické kompresi stlačujeme plyn, který je dokonale tepelně izolován. Nedochází tedy k výměně tepla s okolím. Práce, kterou dodáme plynu, je spotřebována na zvýšení vnitřní energie plynu.
Celková práca, ktorú sústava počas cyklu vykonala, je . Práce vykonaná soustavou při libovolném cyklu je dle prvního termodynamického zákona rovna rozdílu tepla přijatého a tepla odevzdaného. Ak cyklus prebieha v popísanom poradí, potom koná sústava prácu a predstavuje ideálny tepelný motor, v ktorom je časť tepla dodaného ohrievačom premenená na mechanickú prácu a časť sa vždy odovzdá chladiču.
Tento cyklus umožňuje prenos tepla z chladnejšieho zdroja na teplejší, čo je v rozpore s druhým termodynamickým zákonom. Na dosiahnutie tohto prenosu je však potrebné dodať prácu, napríklad prostredníctvom kompresora.
Fázy obráteného Carnotovho cyklu
| Fáza | Proces | Zmena teploty | Zmena objemu | Výmena tepla |
|---|---|---|---|---|
| 1-2 | Izotermická expanzia | Konštantná | Zvyšuje sa | Prijíma teplo z chladnejšieho zdroja |
| 2-3 | Adiabatická kompresia | Zvyšuje sa | Znižuje sa | Žiadna |
| 3-4 | Izotermická kompresia | Konštantná | Znižuje sa | Odovzdáva teplo teplejšiemu zdroju |
| 4-1 | Adiabatická expanzia | Znižuje sa | Zvyšuje sa | Žiadna |
Znázornenie cyklu v diagramoch
Jednotlivé fázy Carnotovho cyklu je možné podľa potreby znázorniť v rôznych diagramoch. p-V diagram vyjadruje závislosť tlaku od objemu, T-S diagram vyjadruje závislosť teploty od entropie. V oboch typoch diagramov krivky jednotlivých zmien ohraničujú oblasť, ktorej obsah zodpovedá práci vykonanej strojom.
Cyklus prebieha proti smeru hodinových ručičiek. Energetická bilancia je rovnaká ako pri Carnotovom cykle, s rozdielom výmeny znamienok pre privedené/odvedené teplo a spotrebovanú/dodanú prácu. Namiesto účinnosti sa pre hodnotenie používajú dva parametre, v závislosti od účelu tepelného stroja.
Chladiaci faktor a vykurovací faktor obráteného Carnotovho cyklu sú maximálne dosiahnuteľné koeficienty výkonnosti pre akýkoľvek tepelný stroj pracujúci medzi zásobníkmi tepla s uvedenými teplotami.
Využitie obráteného Carnotovho cyklu
Obrátený Carnotov cyklus je základom pre fungovanie moderných tepelných čerpadiel a chladničiek.
Tepelné čerpadlá
Tepelné čerpadlá využívajú obrátený Carnotov cyklus na prenos tepla z vonkajšieho prostredia (vzduch, voda, zem) do vykurovaného priestoru. Energia vzduchu je druh energie nízkej kvality, ktorá existuje široko, je daná rovnako a môže byť voľne využívaná.
Cyklus tepelného čerpadla sa používa na zlepšenie energetickej triedy a používa sa na ohrev teplej úžitkovej vody. Pretože jedna časť elektrickej energie môže absorbovať 3 diely energie vzduchu, dodávajú sa 4 diely. Systém tepelnej energie a teplá voda je preto energeticky úsporná a ekologická nová technológia s veľkým vývojovým a aplikačným potenciálom, ktorá má veľkú praktickú hodnotu.
Okrem toho ohrievač vody so vzduchovým tepelným čerpadlom zásadne eliminuje bezpečnostné riziká, akými sú únik elektrického ohrievača vody, suché spaľovanie a škodlivý plyn, ktorý vzniká pri prevádzke plynových ohrievačov vody. Prekonáva nedostatky solárnych ohrievačov vody, ktoré nemôžu fungovať v daždivých a daždivých dňoch. Má vysokú účinnosť, úsporu energie, bezpečnosť a ochranu životného prostredia a prevádzku za každého počasia. Pohodlné použitie a mnoho ďalších výhod.
Chladničky
Chladničky využívajú obrátený Carnotov cyklus na prenos tepla z vnútorného priestoru chladničky do vonkajšieho prostredia.
Ako funguje chladnička? | Vysvetlenie chladenia
Výhody a nevýhody obráteného Carnotovho cyklu
Výhody
- Vysoká účinnosť: V ideálnom prípade dosahuje obrátený Carnotov cyklus maximálnu možnú účinnosť pre dané teploty zdrojov tepla.
- Ekologickosť: Tepelné čerpadlá využívajúce obrátený Carnotov cyklus môžu znížiť emisie skleníkových plynov v porovnaní s tradičnými vykurovacími systémami.
Nevýhody
- Vysoké náklady: Tepelné čerpadlá a chladničky využívajúce obrátený Carnotov cyklus môžu byť drahšie v porovnaní s tradičnými technológiami.
- Závislosť na teplote: Účinnosť obráteného Carnotovho cyklu klesá s rastúcim rozdielom teplôt medzi zdrojmi tepla.
Zaujímavosti
Carnotov cyklus je pomenovaný po francúzskom fyzikovi Sadi Carnotovi, ktorý ho prvýkrát opísal v roku 1824. Reálne zariadenia, ako tepelné čerpadlá a chladničky, sa snažia priblížiť k ideálnemu obrátenému Carnotovmu cyklu, ale nikdy ho nedosiahnu kvôli rôznym stratám a nedokonalostiam.
V teórii reverzného Carnotovho cyklu existujú iba dva spôsoby, ako zlepšiť koeficient chladenia klimatizácií:
- Zlepšite účinnosť kompresora. Teoreticky je v malých klimatizáciách iba 19% priestor na zlepšenie účinnosti; a 9% priestor na zvýšenie účinnosti veľkých závitovkových vodných strojov.
- Strata expanznej práce a strata vnútorného trenia (takzvaná vnútorná ireverzibilná cirkulácia): Neexistuje takmer žiadny priestor a význam na zníženie straty vnútorným trením. Predtým, ako sa hydraulický motor objavil, bol jediným spôsobom, ako vyriešiť stratu expanzných prác, použitie chladiva s veľkým špecifickým objemom na zníženie kvality dodávky. Pretože R410A a iné kompozitné chladivá majú väčší špecifický objem ako R22, straty pri expanzii sa znížia a koeficient chladenia sa relatívne zlepší. Pokiaľ však ide o súčasnú situáciu, použitím chladiva s veľkým špecifickým objemom sa koeficient chladenia nezvýši o viac ako 6% (12% obmedzeného priestoru).
tags: #tepelny #obeh #obrateny