Тепловий баланс холодильної машини

Відношення кількості тепла q₀ до кількості енергії w_KM, затраченої компресором, називається холодильним коефіцієнтом ε ідеальної холодильної машини:

ε = q₀ / w_KM .

Значення холодильного коефіцієнта досягає до 5; це означає, що затраченою енергією компресором в 1 Дж відводиться 5 Дж енергії від охолоджуваного тіла, а у довкілля віддається 6 Дж енергії. Тому холодильну машину можна використовувати для обігрівання приміщень, якщо випарник розташувати на вулиці, а конденсатор у приміщенні.

Якщо врахувати, що у холодильній системі крім компресора застосовуються помпи, вентилятори тощо, які також виконують роботу Δw, то реальний холодильний коефіцієнт холодильної системи дорівнює:

ε_С = q₀ /( w_KM +Δw).

Коефіцієнт корисної дії холодильної системи визначають як відношення холодильного коефіцієнта системи до холодильного коефіцієнта ідеальної машини:

η_С = ε_С / ε .

Для більшості холодильних систем η_С дорівнює 0,6. Чим вища температура випаровування у випарнику, тим більшим є значення холодильного коефіцієнта системи:

ε_С = η_С Т₂ /(Т₁ – Т₂),

де Т₁- температура конденсації холодоагента; Т₂ – температура випаровування холодоагента.

Якщо температуру Т₂ підвищити на 1 ⁰С, то експлуатаційні витрати зменшуються на 2 – 4 %.

Холодопродуктивність холодильної машини визначається за формулою:

Q₀ = q₀ ·М,

де М – масова витрата холодильного агента, кг/с.

Теоретична потужність компресора дорівнює: N = w_KM··М.

Сумарна кількість енергії, відведеної від конденсатора дорівнює:

Q = q ·M.

Питома електрична холодопродуктивність: К_ЕЛ= Q₀ / N .

Зі зниженням температури кипіння робочого тіла холодопродук-тивність та холодильний коефіцієнт зменшуються (рис. 3.18).

Теплові помпи

Коефіцієнт корисної дії сучасних електростанції дуже низький, тому використання електроенергії в установках прямого перетворення електроенергії у тепло завжди пов’язане з перевитратами первинного палива.

Існує принципово інакший спосіб реалізації електротеплопостачання – це використання теплових помп. Розроблені теплові помпи (ТП) компресійного, абсорбційного та термоелектричного типу.

Принцип дії компресійної теплової помпи був відкритий у 1862 році лордом Кельвіном і базується на реалізації двох фізичних законів:

- у процесі випаровування у сталому об’ємі речовина поглинає тепло, а під час охолодження - виділяє;

- підвищення тиску речовини за незмінного її об’єму викликає підвищення її температури, а зменшення тиску – зниження температури.

Основним елементом ТП є компресор, який змінює тиск і температуру теплоносія – фреону (рис. 3.19). Теплоносій циркулює у замкненій системі, де змінюється його агрегатний стан: пара (газ) та конденсат (рідина).

У повітряному теплообміннику (випарнику) холодний теплоносій у газоподібному стані підігрівається теплим повітрям з довкілля, яке подається вентилятором (замість повітря може бути вода чи земля). У пароподібному стані (теплий газ) теплоносій поступає у компресор, де пара стискається і її температура значно підвищується. Проходячи через водяний теплообмінник, теплоносій віддає тепло воді і переходить до рідкого стану (конденсується). Рідкий теплоносій проходить через розподільний клапан, де внаслідок перепаду тиску до і після клапана, перетворюється у холодний газ та подається і випарник. Таким чином теплом, що віддане теплоносію від теплого повітря у повітряному теплообміннику, нагрівається вода у водяному теплообміннику.

Рис. 3.19. Принципова схема теплової помпи

Рівняння теплового балансу теплової помпи виглядає так:

,

де Q₁ – тепло, витрачене на нагрівання води; Q₀ - тепло, відібране від довкілля; Р –потужність електричних агрегатів теплової помпи; t – час увімкнення електричних агрегатів теплової помпи у мережу, Q_ВТР – втрати тепла у елементах системи.

Якщо ліву і праву частину рівняння поділити на Р·t , то отримаємо:

.

З останнього рівняння видно, що за умови якщо втрати тепла Q_ВТР незначні, кількість тепла Q₁, відданого воді у водяному теплообміннику, завжди більша від електричної енергії, витраченої електроагрегатами на величину Q₀ . Інакше кажучи, теплова помпа віддає воді більше енергії, ніж вона споживає з електричної мережі. Ця властивість оцінюється тепловим коефіцієнтом k₀:

>1.

Для теплової помпи без втрат тепловий коефіцієнт залежить від температури повітря та води. Якщо позначити температуру повітря t_П , а середню температуру підігрітої води t_В , то теоретичне значення теплового коефіцієнта буде дорівнювати:

.

З останнього рівняння видно, що чим менша різниця температур у знаменнику, тим більше значення k₀ . На рис.3.20 наведені значення k₀ залежно від температури повітря, від якого відбирається тепло, і температури нагрітої води.

Рис. 3.20. Залежність теплового коефіцієнта k₀ від температури повітря t_П та температури підігрітої води t_В (-теоретичні показники; …..реальні показники)

Як видно з рисунка, практичні показники роботи теплової помпи дещо (у 3 – 4 рази) нижчі від теоретичних внаслідок втрат у системі. Теоретично теплові помпи можуть відбирати тепло від середовища з додатною і від’ємною температурами, однак за від’ємних температур на теплообміннику осідає іній і теплообмін погіршується. Середня температура води на виході системи підігріву не перевищує 55 – 65 ⁰С. У побуті такі помпи можуть використовуватися як для підігріву води, так і для низькотемпературного опалення.