Принцип действия теплового насоса

Все тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, холодильные, паровые и др.) работают циклически. Термин «цикл» («циклический процесс») указывает на непрерывное изменение состояния системы (рабочего тела), в результате которого она возвращается в первоначальное состояние, из которого эти изменения начались. Графически циклический процесс (цикл) изображается в виде замкну- той линии. В термодинамике рассматривают циклы, состоящие из строго определенной последовательности некоторых простейших процессов (изотермического, изохорного, изобарного, адиабатного), в результате протекания которых рабочее тело возвращается в исходное состояние.

В 1824 г. инженер с. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания и анализа работы идеальной тепловой машины. По сути дела, КПД цикла Карно определяет теоретический предел возможных значений КПД тепловой машины для данного температурного интервала. Этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН, поскольку тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину.

В прямых циклах (также их называют циклами двигателей, или энергетическими) мы получаем полезную работу, в обратных (их называют холодильные) для протекания процесса нужно подводить энергию, поскольку второе начало термодинамики задаёт направленность самопроизвольных термодинамических процессов, согласно ему невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому.

В статьях, популяризирующих тепловые насосы, часто можно встретить фразу, что «тепловой насос – это холодильник наоборот». Важно понимать, что и холодильник, и тепловой насос работают по одному и тому же термодинамическому циклу – обратному. Просто в первом случае целью является создание пониженной температуры внутри холодильной камеры, и с помощью дополнительно затраченной энергии теплота из холодильника отводится в окружающую среду. А во втором, целью является создание повышенной температуры внутри помещения, и с помощью дополнительно затраченной энергии теплота из окружающей среды отводится в помещение, т.е. окружающая среда охлаждается.

Тепловая машина (рис. 1) получает тепло QH от высокотемпературного источника и сбрасывает его QL при низкой температуре ТL, отдавая полезную работу W. Тепловой насос требует затраты работы W для получения тепла QL при низкой температуре ТL и отдачи его при более высокой ТH.

Можно показать, что если обе эти машины обратимы (т. е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение QH/W.

Если бы это было не так, то можно было бы построить вечный двигатель, просто соединив одну машину с другой. Только в случае тепловой машины это отношение записывается в виде W/QH и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно остается в виде QH/W и называется коэффициентом преобразования теплоты (КТ).

Если считать, что тепло изотермически подводится при температуре ТL и изотермически отводится при температуре ТH, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии (рис. 2), а работа подводится от внешнего двигателя, то коэффициент преобразования для цикла Карно будет иметь вид:

Например, при ТH = 70+273=343 К и ТL = 5+273=278 К получаем КТ =343/65 = 5,3 и может быть выше только при снижении ТH и/или повышении ТL. То есть фактически при данных температурах никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

Принципиальная схема работы наиболее распространенной парокомпрессионной ТНУ может быть описана следующим образом (рис. 3):
1. Во внешнем теплообменнике (испарителе) тепловая энергия из окружающей среды за пределами здания или из другого доступного источника тепла передается рабочему телу ТНУ - хладагенту (как правило, фреону), циркулирующему по внутреннему контуру.
2. Фреон нагревается, испаряется и направляется в сторону компрессора. Компрессор сжимает фреон, при этом температура фреона возрастает.
3. Далее сжатый фреон проходит через внутренний теплообменник (конденсатор), где конденсируется и отдает тепло в систему потребителя (прямой нагрев воздуха или теплоносителя системы отопления или технологического объекта, или приготовление горячей воды для потребителей).
4. Далее фреон проходит через дросселирующий клапан, понижающий давление, что сопровождается снижением температуры. Цикл повторяется. Хладагент под высоким давлением через капиллярное отверстие попадает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления и подвода тепла происходит процесс испарения. При этом хладагент отбирает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель, в свою очередь, отнимает тепло у земляного или водяного контура, за счёт чего он постоянно охлаждается. Компрессор вбирает хладагент из испарителя, сжимает его, за счёт чего температура хладагента резко повышается, и выталкивает в конденсатор.

Кроме этого, в конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент отдает тепло (температура порядка 85-125 °с) отопительному контуру и переходит в жид- кое состояние. Процесс повторяется постоянно. Наиболее характерный температурный уровень для внешнего теплообменника в режиме использования парокомпрессионой ТНУ для теплоснабжения от +5 ос до -15 ос, для внутреннего теплообменника от +35 ос до +60 ос, что позволяет обеспечить систему отопления большую часть отопительного периода и горячее водоснабжение. При этом, если за 100% взять полученную полезную тепловую мощность, то доля затраченной электроэнергии составит 20-30%. Таким образом, коэффициент энергетической эффективности, равный отношению полученной полезной тепловой мощности к затраченной электроэнергии, составляет от 3,3 до 4.

Температурный диапазон и коэффициент энергетической эффективности определяются свойствами хладагента и параметрами цикла (давлением). Возможно расширение температурного диапазона как в сторону использования более низких температур окружающей среды (до -25 ос и ниже), так и получения более высокопотенциального тепла – свыше 60 ос. Однако для этих параметров требуется более дорогостоящее оборудование, а коэффициент энергетической эффективности получается ниже. В режиме охлаждения ТНУ работает, передавая тепловую энергию из охлаждаемого помещения (при температурном уровне, требуемом для системы кондиционирования, т.е. +10 ос) в окружающую среду.

 


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ АЛЬПИНИЗМА | Советы по фотографии дикой природы и животных




Дата добавления: 2017-06-18; просмотров: 1115;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.005 сек.