Термодинамический цикл теплового насоса

При работе холодильной установки теплота отбирается из охлаждаемого объема и передается в окружающую среду с более высокой температурой, то есть результатом осуществления холодильного цикла является не только охлаждение теплоотдатчика, но и нагрев теплоприемника. В 1852 г. Кельвин предложил использовать холодильный цикл для нагревания теплоносителя, используемого в системе отопления помещений. Холодильная установка, которая используется для подвода теплоты к нагреваемому объекту, называется тепловым насосом. В таких условиях теплота как бы «перекачивается» от холодного источника к горячему.

Работа теплового насоса (рис. 8.11) мало отличается от работы паровой компрессорной холодильной установки. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса является окружающая среда, например, воздух или вода водоемов и т.д. Из водоема вода с помощью насоса (на рис. 8.11 не показан) подается в испаритель 1, где происходит процесс парообразования. Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор 4, в котором он адиабатно сжимается от давления р1 до давления р2, а температура повышается от температуры Т1 до Т2. При этом степень сухости пара возрастает и из компрессора выходит перегретый пар.

Этот пар поступает в конденсатор 3, где за счет отдачи теплоты воде, циркулирующей в отопительной системе, происходит его конденсация. В конденсаторе сначала происходит изобарное охлаждение перегретого пара, а затем его полная конденсация по изобаре-изотерме. Из конденсатора хладагент выходит в состоянии насыщения. При давлении р1 и температуре Т1 он направляется в дроссельный вентиль 2, где дросселируется до давления р2 и температуры Т2. После вентиля влажный пар при температуре Т2 с малой степенью сухости поступает в испаритель 1. За счет теплоты, отбираемой у воды, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется, степень его сухости при этом возрастает. Затем хладагент направляется в компрессор 4 и цикл замыкается.

Идеальный цикл теплового насоса состоит из следующих процессов (рис. 8.12): 1-2 – испарение хладагента в испарителе; 2-3 – адиабатное сжатие хладагента в компрессоре; 3-4 – изобарное охлаждение перегретого пара; 4-5 – конденсация пара в конденсаторе с отдачей теплоты в отопительную систему; 5-1 – дросселирование хладагента.

В рассматриваемом цикле, как и в любом обратном цикле, теплота холодного тела (например, воды из водоема) посредством затраты работы передается горячему телу (воде отопительной системы). При этом в отопительную систему поступает теплота q1, равная сумме теплоты q2, отобранной у холодного источника, и работы l, затраченной для осуществления холодильного цикла:

q1 = q2 + l . (8.12)

Эффективность теплового насоса оценивается величиной отопительного коэффициента, или коэффициентом преобразования теплоты:

. (8.13)

Из рис. 8.12 видно, что q1 = i3 – i1; q2 = i2 – i1. Работа, затрачиваемая в цикле:

l = q1 – q2 = (i3 – i1) – (i2 – i1) = = (i3 – i2) . (8.14)

Тогда:

. (8.15)

Установим связь отопительного коэффициента φ с холодильным коэффициентом ε. Из выражений (8.13), (8.2) и (8.12) имеем:

φ = ε + 1 . (8.16)

Таким образом, чем больше холодильный коэффициент ε, тем выше отопительный коэффициент цикла φ. Так как в тепловом насосе q1 > l, то всегда имеем φ > 1,0. Этот вывод следует также из уравнения (8.16).

При работе теплового насоса по обратному циклу Карно отопительный коэффициент определяется по следующей формуле:

,

или:

. (8.17)

Так, если при отоплении здания зимой температура речной воды Т2 = 273 К, а температура хладагента, при которой он отдает теплоту в отопительную систему Т1 = 323 К, то максимальный отопительный коэффициент теплового насоса:

Таким образом, тепловой насос передает в отопительную систему количество теплоты, которое в 6,46 раз больше работы, затраченной в цикле. Эффективность работы теплового насоса можно увеличить, если в испаритель будет поступать вода с более высокой температурой, например, охлаждающая вода промышленных печей, конденсаторов турбин и других промышленных агрегатов. Если температура такой воды равна 293 К, то отопительный коэффициент φ увеличивается до 10,77.

Тепловые насосы, в которых используются циклы паровых холодильных установок, менее совершенны, чем с обратным циклом Карно, и их отопительные коэффициенты имеют меньшую величину. В реальных тепловых насосах значение отопительного коэффициента составляет от 3 до 5.

Первая парокомпрессионная аммиачная теплонасосная станция для отопления помещения была построена в 1930 г. В настоящее время тепловые насосы широко используются для отопления помещений и в различных технологических процессах.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение холодильного коэффициента и холодопроизводительности.

2. Запишите выражение для холодильного коэффициента обратного цикла Карно.

3. Изобразите цикл воздушной холодильной установки в р-v и T-s диаграмме. Запишите выражение для холодильного коэффициента цикла.

4. Почему воздушные холодильные установки практически не используются на практике?

5. Сравните обратный цикл Карно и цикл воздушной холодильной установки в одинаковом интервале температур.

6. Изобразите схему паровой холодильной установки и ее цикл в Т–s диаграмме. Запишите выражение для холодильного коэффициента цикла.

7. Укажите преимущества паровых холодильных установок по сравнению с воздушными холодильными установками.

8. Перечислите основные требования, которые предъявляются к хладагентам паровых холодильных установок.

9. В чем отличие теплового насоса от холодильной установки?

10. Изобразите схему работы теплового насоса и рассмотрите его цикл.

11. Запишите выражение для отопительного коэффициента теплового насоса. Какова его связь с холодильным коэффициентом?

12. Какие параметры определяют эффективность работы теплового насоса?

Литература

1. Недужий И.А. Алабовский А.Н. Техническая термодинамика и теплопередача. Под ред. С.М. Константинова. К.: Высшая шк., 1981. – 248 с.

2. Бєляєв Н.М. Термодинамика. К.: Изд. Высшая шк. 1987. – 342 с.

3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Изд. Энергия. 1974. – 436 с.

4. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М. Изд. Высшая шк. 1991. – 480 с.

5. Болгарский А.В., Голдобеев В.И. и др. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче. М.: Изд. Высшая шк. 1972.– 302 с.

6. Мелик-Пашаев Н.И., Кобельков В.И., Воротников Б.А., Березин Г.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 1983. 267 с.