Парокомпрессионный тепловой насос цикл

1. ВВЕДЕНИЕ

Хорошее понимание теории поможет оценить ограничения возможностей тепловых насосов, поскольку эти ограничения накладываются не только техническими проблемами, но также и законами природы.

Большая часть этой статьи посвящена теплонасосному циклу с механической компрессией пара, поскольку такие тепловые насосы наиболее распространены. Затем обсуждаются два цикла, куда энергия поступает только в форме тепла: абсорбционный цикл и двойной цикл Ренкина, которые авторам представляются весьма перспективными. Кратко описаны некоторые другие циклы, которые в настоящее время вызывают интерес.

2. ЦИКЛ КАРНО

В 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности тепловых насосов.

Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину. Тепловая машина получает тепло от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу. Тепловой насос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой .

Можно легко 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. Это отношение очень важно. В случае тепловой машины оно записывается в виде W/Qh и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно остается в виде Qh/W и называется коэффициентом преобразования (КОП). Его следует отличать от аналогичного отношения Ql/W применяемого в холодильной технике и называемого в дальнейшем КОПохл- Поскольку Qh=W+Ql, получается КОПохл- = КОП-1.

Цикл Карно – рабочий процесс идеальной тепловой машины, работающей в заданном интервале температур. Тепло изотермически подводится при температуре Тl и изотермически отводится при температуре Тh- Сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии, а работа подводится от внешнего двигателя. Используя определение энтропии и законы термодинамики, можно показать, что коэффициент преобразования для цикла Карно имеет вид

КОП = Тl/(Тн-Tl) + 1 = Тн/(Тн-Tl).

Никакой тепловой насос, созданный в пределах нашей Вселенной, не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

3. ЦИКЛ С МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПРЕССИЕЙ ПАРА

С целью приближения к простому циклу Карно, а фактически это значит – с целью создания практически полезного теплового насоса, необходимо стремиться к подводу тепла при условиях, близких к изотермическим. Для этого подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла. Сжатие пара, как правило, требует, чтобы пар был сухим, что вызвано особенностями механики большинства компрессоров. Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкости в компрессор может вообще вывести его из строя (если не приняты предохранительные меры, например подпружиненная головка цилиндра).

Цикл с механической компрессией пара и его изображение на Т-5 (температура – энтропия) диаграмме показаны на рис.

Рассмотрим цикл только с сухой компрессией пара и расширением в дроссельном клапане. Этот клапан представляет собой либо регулируемое сопло или отверстие, либо капиллярную трубку. Выбор между ними определяется требованиями в регулировании. Отсутствие расширительной машины в цикле означает, что некоторое количество полезной работы теряется и КОП уменьшается. Как правило, это оправдано тем, что стоимость расшири-тельной машины не окупается полученной па ней работой (По-внднмому, «вечный вопрос» парокомпрессионных холодильных машин и тепловых иасосов об использовании работы расширения будет положительно .решен только при создании крупных тепловых насосов единичной мощностью в десятки мегаватт.). Процесс расширения в сопле необратим, он показан пунктиром па T-S диаграмме (рис.). Обычно он рассматривается как адиабатический, т. е. проходящий без подвода или отвода тепла при расширении рабочего тела.

Теперь продемонстрируем цикл другим способом, с помощью широко применяемой па практике для парокомпрессионных циклов диаграммы давление – удельная энтальпия (р-h), что показано на рис.

Этот рисунок следует рассмотреть внимательно. Сжатое рабочее тело под высоким давлением покидает компрессор в точке 1. Поскольку на вход в компрессор поступал только сухой пар и благодаря наклону линий постоянной энтропии, в точке 1 пар перегрет. Прежде чем пар начнет конденсироваться в точке 2, его следует охладить при постоянном давлении. Между точками 2 и 3 происходит конденсация при постоянной температуре (если нет утечек пара). Отсюда видно, что теплообменный аппарат, в котором происходит конденсация (конденсатор), всегда должен быть рассчитан иа прием перегретого пара. Адиабатическое расшире­ние изображается на р-Н диаграмме вертикальной прямой 3-4, и в этом одна из причин удобства такой диаграммы. Для расчета цикла необходимо зиать состояния рабочего тела только на входе в компрессор и выходе из него. Остальное изображается прямыми линиями. Испарение происходит при постоянных давлении и температуре между точками 4 и 5. Следует отметить, что расширение происходит фактически в смеси жидкости и пара. Входящая в испаритель смесь содержит значительную долю пара, иногда до 50% по массе, и эта доля рабочего тела, естественно, уже не участвует в процессе испарения и поглощения тепла. Между точками 5 и 1 происходит изоэнтропийное сжатие сухого пара. На практике его реализовать нельзя, но здесь мы рассматриваем идеализированный цикл. Его эффективность меньше, чем у цикла Карно, из-за необратимости процесса расширения.

Подчеркнем второе важное преимущество р-h диаграммы. Поскольку на горизонтальной оси откладывается энтальпия, она допускает прямой отсчет Qh, QL и W. Простое соотношение Qh = QL + W из диаграммы очевидно. В то же время диаграмма позволяет сразу оценить значение КОП. Для получения высокого КОП значение Qh должно быть велико, а W (работа сжатия) должна быть мала. Пригодность того или иного рабочего тела можно быстро оценить при взгляде на его р-h диаграмму.

Описанный парокомпрессионный цикл одинаков и для теплового насоса и для холодильной машины. Его часто называют обратным циклом Ренкина или, менее точно, просто циклом Ренкина. В действительности цикл Ренкина относится к процессу в паровых турбинах при выработке электроэнергии. На Т-S диаграмме он протекает по часовой стрелке, включая испарение и конденсацию. Подчеркнем два различия между циклом Ренкина и механическим парокомпрессионный. Первое состоит в направлении: цикл Ренкина- это энергетический цикл, отдающий мощность при расширении пара в турбине. Второе различие в том, что в цикле Ренкина сжимается 100% жидкости. Действительно, обратимым по отно­шению к циклу Ренкина был бы цикл с расширительной машиной, а не с необратимым расширением в дросселе. На практике, однако, разница не очень существенна.

Источник

, , . . , .

, , . () , , , , – . , .

, , , , , – , , , , , .

1.

. , – .

, , , , .

() , .

, , , .

. 130 . .

, : (), , , , , . , .

2. – .

. [1].

1

– . , , , .

: , , , . , ( I ), ( , , ).

: , – , , . – , ( , ). , , , ( 3000 90 , , , , 100 C ).

– . , , ( ), , – , – . , – .

, , ( – ) – ( ).

, , .

2.1 .

– , , . , (, , , ) , . .

– , , , [2].

1. :
2. – – , , , ;
3. – , ( ), , , ;
4. – , ( ), , , .

1. , . . , , , , , . , :
2. (, : , , );
3. (, , , , );
4. (, );
5. (, ).

.

2 –

, . , , – (, , , ) . () . , , .

. : -, – , ; -, ( ) .

– , , – , . , , , , , , . , , . , , , . , . , , . , -, -.

, ( ) ( ) . ( ) [3].

, ( ) . ( 100 ). ( ) – , . . 2,5 7, 1 2,5 7 , , . , , [2].

– 35-60. 75 % [2].

:

E = 2/( 2- 1),

2 – , 1 – , . , +5 (1 = 278 ) 55 (2 = 328 ) , 6,56. , .

, , () – , , , , . , : , , , , . ( ) , ( ). , , , , , , .

, , ( ). , : , ( ) , , (). : -, -, -, -, -, – [4].

, , . , (, ). , . -, , 65 /2. , . , , – . -, , (), . . , , ( ) 35-40. ( ), . -, ( ).

3 -5

. , , -, . 10-15 % . 70-80 % , , ( ), 10-15 . . . , , [4].

2.2 . () COP

, – , , . , . . . , , , . , ( ). p-V ( – ) .

4 p-V

1-2 – , ; 2-3 – ; 3-4 – ; 4-1 – .

. . , . , , . . , .. [2].

, – (ln p-h), .

5 ln p-h

1. , 1 . 2, . 2 3 ( ). , , (), . h 34, . . . 4 5. , . , 50% , , , . 5 1 . , . , , – .

h . , Q1, Q2 W. Q1=Q2+W. . , , 3-4 (, , ) [5]. Q1 , W ( ) . h .

2.3

, , . , , , , 100%. , . . , . . , . , .

. – , , . . 70%. , . , , . : (, , , 95 %) , , , ( 95 %) [2]. , . , , . 1 . , .

, R134.

6 R134

3.

. : $300-1200 1 . : , , 4-9 , 15-20 [6].

, . ( ), ( ) .

. , , . ( ) . , , .

– , , .

– , . :

1. , -6,5/13, – .
2. , , .
3. , , .

, . : 0,4-0,5 / 500-600 / [7].

, 2-3 %, 10-15 %, .

. : 2012 . .

1. ., . : . . – .: -, 1982.-224
2. : / .. , .. , .. .; . .. . – . , 1985. – 432 .
3. – ( ). ., , 1983. – 224 .
4. : – . – .: , 1983. – 204 .
5. . [ ] – : https://www.geoteplo.com.ua/
6. [ ] – : https://ecoenergy.org.ua/
7. [ ] – : https://www.geoteplo.com.ua/

Источник

Источник