Термотрансформаторы. 
Техническая термодинамика и теплопередача

Исходя из положений второго закона термодинамики, можно заключить, что применяемый на практике способ получения теплоты путем сжигания топлива и передачи полученной теплоты теплоносителю является весьма нерациональным.

В самом деле, температура горячих газов обычно равна 1000 °C и выше. Тогда как температура теплоносителя, применяемого, например, для отопления, составляет около 100 °C. При переходе теплоты от источника с температурой 1000 °C к рабочему телу с температурой 100 °C происходит большая потеря работоспособности теплоты, что связано с необратимым теплообменом при конечной разности температур. Причем потеря работоспособности нежелательна не только при получении работы, но и при непосредственном использовании теплоты, например для отопления.

С использованием устройств, называемых термотрансформаторами, принципиально возможно, имея некоторое количество теплоты при высокой температуре, без затраты работы получить большее количество теплоты при более низкой температуре с работоспособностью, равной работоспособности первоначального количества теплоты.

Работоспособность теплоты q_u взятой от источника с температурой Г|, определяется из формулы.

где Го — температура окружающей среды; W — полезная работа, которую можно получить при использовании теплоты q_x в прямом обратимом цикле Карно, выполняемом между источником теплоты высокой температуры и окружающей средой.

Затратив работу w в обратном обратимом цикле Карно (тепловой насос), осуществляемом между источниками с температурами Tq и Г₂, получим.

Отсюда или.

Т₂(Т_{ -Г₀) .

где / = —^гт — теоретический коэффициент преобразования теплоты М-*2 «'0/.

от температуры Т_{ к температуре Т₂.

Последнее соотношение показывает, что q Дж теплоты при температуре Т эквивалентны q₂ Дж при температуре Т₂. Так как Т₂< Т_ь то у > 1.

Покажем порядок величины на примере решения конкретной задачи при следующих исходных данных: t = 1000 °C; t₂ = 50 °C; = 0 °C. Коэффи циент |/ при таких условиях равен примерно 5. Таким образом, для того чтобы получить 5 Дж теплоты при температуре 50 °C, следует затратить лишь 1 Дж при t =1000°С. Тогда как в обычной отопительной установке 1 Дж теплоты при высокой температуре переходит в такое же количество теплоты при низкой температуре. Следовательно, с термодинамической точки зрения отопительная установка, необратимо передающая теплоту от источника с температурой t = 1000 °C к источнику с температурой t₂ = 50 °C, в 5 раз менее экономична, чем обратимая теплопреобразующая установка.

Если термотрансформатор предназначен для получения теплоты при более низкой температуре, чем исходная, то он будет понижающим. Повышающий термотрансформатор позволяет получить теплоту при более высокой температуре, чем исходная.

В общем случае цикл всякого термотрансформатора представляет собой сочетание прямого и обратного циклов. В рассмотренной выше схеме в установку входили тепловой двигатель, производящий работу, и тепловой насос, потребляющий ее. Рассмотрим последовательность работы установки, в которой в качестве термотрансформатора используется абсорбционная холодильная машина. В этой установке (работой насосов пренебрегаем) за один цикл в парогенераторе (котле) при температуре t_n затрачивается теплота q_n. В испарителе при температуре t поглощается теплота q. В конденсаторе и абсорбере при температуре t₂ выделяется теплота (q_K + q_a). Если температура испарителя равна температуре окружающей среды, а отвод теплоты в конденсаторе и абсорбере происходит при температуре t₂ < t_n, то абсорбционная машина будет представлять понижающий термотрансформатор, который преобразует некоторое количество теплоты q_n с температурой t_u в большее количество теплоты (q_K + #_а) с более низкой температурой.

Коэффициент преобразования такого трансформатора будет определяться по формуле

Этот коэффициент будет меньше теоретического ввиду того, что процессы в абсорбционной установке отклоняются от идеальных. Отметим, что обращенная абсорбционная установка может быть использована и как повышающий термотрансформатор.