Принцип работы теплового насоса

Ранее в контексте описания обратного цикла Карно рассматривалась идея теплового насоса. Целевое предназначение холодильной машины состоит в понижении температуры некоторого тела (пространства). Для понижения температуры этого тела необходимо устройство, способное отбирать у него внутреннюю энергию. Именно таким устройством является тепловая маши­на, работающая по обратному циклу. Более того, оказалось, что машина, работающая по обратному циклу, может выполнять и другую роль, если ее использовать по иному целевому предназначению.

Холодный газ Горячий газ

Принцип работы теплового насоса

[Холодная, ЫПЦ /Ь/^чля!

~йк&костъ~ ^V^ жидкость

Расширительный клапан (дроссель)

Рис. 8.26. Принципиальная схема теплового насоса

Тепловая машина, работающая по обратному циклу, отбирает тепловую энергию у низкотемпературного источника (холодильника) и отдает ее высокотемпературному источнику (нагревателю). Высокотемпературный источник тепловой энергии в данном случае является ее приемником, поэтому такую тепловую машину можно использовать не для охлаждения, а для нагревания некоторого тела. В этом случае машина будет выполнять функцию некоего «теплового насоса, перекачивающего тепловую энергию с низкого уровня на верхний уровень».

Еще английский физик Томсон отмечал, что вполне возможно ис­пользовать (и существуют опытные установки) для отопления помещений (жилищ) внутреннюю энергию окружающей среды. Независимо от типа и конструкции тепловой насос выполняет, как правило, одну функцию — отбирает энергию Q2 = Q0,С в тепловой форме у окружающей среды (низкотемпературного источника) при температуре Т2 = Тох и отдает ее в отапливаемое помещение при температуре 7\ (7\ > Т2). При этом в помещение передается больше тепловой энергии Qi, чем отбирается от окружающей среды Q2 {Qi > Qi)- Самопроизвольный переход энергии в тепловой форме от низкотемпературного источника к высокотемпера­турному запрещен вторым законом термодинамики. Несамопроизвольный (вынужденный) переход тепловой энергии в таком направлении возможен. Для этого требуется затратить некоторое количество энергии W^ в меха­нической форме.

Принципиальная схема наиболее простого (парокомпрессорного) тепло­вого насоса показана на рис. 8.26.

Рабочее тело в парообразном состоянии сжимается компрессором (от­сюда и название — парокомпрессорный тепловой насос). При сжатии пара в компрессоре к нему подводится энергия в механической форме И^з из окружающей среды (например, от электродвигателя). Эта энергия преоб­разуется из механической формы в тепловую форму. Пар нагревается, т. е. его температура увеличивается до Т\. После компрессора пар поступает в теплообменник № 2, где отдает часть своей внутренней энергии в фор­ме теплоты Q1 телу внешней среды (в данном случае промежуточному теплоносителю системы отопления помещения). Это происходит потому, что температура 7\ горячего пара после компрессора превышает темпера­туру промежуточного теплоносителя. При отдаче энергии Qi в тепловой форме промежуточному теплоносителю в теплообменнике № 2 температура пара уменьшается, и он конденсируется (переходит в жидкое состояние). Горячий пар становится горячей жидкостью. Эта жидкость направляется в дроссель, где ее давление понижается. Чем ниже давление жидкости, тем быстрее она испаряется. В результате испарения температура жидкости понижается до Т2 = То с. Холодная жидкость поступает в теплообменник № 1 (испаритель). В этом теплообменнике холодной жидкостью отбирается энергия в тепловой форме в количестве Q2 от поступающего извне тепло­носителя (например, атмосферного воздуха). Получая в теплообменнике № 1 энергию в тепловой форме в количестве Q2, рабочее тело нагревается (увеличивается его температура) и испаряется. Интенсивное испарение нагреваемой в теплообменнике №1 жидкости происходит ввиду ее низкого давления. Холодная жидкость преобразуется в холодный пар, который из-за разрежения поступает в компрессор. Цикл повторяется снова.

Эффективность цикла теплового насоса оценивается отопительным ко­эффициентом, определяемым по формуле (8.75).

Определим количество энергии Qi, отдаваемой рабочим телом (термо­динамической системой) в окружающую среду (отапливаемое помещение). Для рассматриваемого циклического процесса уравнение первого закона термодинамики будет иметь вид

AU = Qpe3-Wpe3, (8.97)

Где AU изменение внутренней энергии рабочего тела за цикл; Q^ — ре­зультирующее тепловое взаимодействие термодинамической системы (ра­бочего тела) с окружающей средой; И^ез — результирующее механическое взаимодействие термодинамической системы (рабочего тела) с окружаю­щей средой.

Учитывая правило термодинамических знаков, выражение (8.97) можно представить в виде

AU = Q2-Q1-(-Wpe3). (8.98)

Известно, что за цикл внутренняя энергия рабочего тела не изменяется (AU = 0), так как оно возвращается в исходное состояние. В этом случае выражение (8.98) можно преобразовать к виду

Q2-Q1 = — Wpe3, (8.99)

Или

Ql = Q2 + Wpe3. (8.100)

Подставляя выражение (8.100) в выражение (8.75), получим

Ql Ql + Wpea___________________________ , 1 /Q 1ПП

Voron = 777— = ——————————————————————————— 777——- = *7хол + 1- (8.101)

" рез "рез

Из выражения (8.101) видно, что при холодильном коэффициенте г]хол = 3… 4 потребитель получает в три-четыре раза больше тепловой энергии, заимствованной у окружающей среды, чем при обычном электрообогреве с теми же затратами электроэнергии W^.

Использование теплового насоса тем эффективнее, чем ниже темпе­ратура Ti, при которой необходима потребителю энергия Q\. Чем ниже температура 7\ потребителя тепловой энергии, тем меньше требуется сжимать рабочее тело в компрессоре (меньше давление рабочего тела на выходе из него). Чем меньше сжатие рабочего тела в компрессоре, тем меньше затраты механической энергии W^ на его привод. Из зависимости (8.74) видим, что при уменьшении и Q2 = idem холодильный коэф­фициент установки т)хол увеличивается. В результате этого увеличивается отопительный коэффициент теплового насоса, определяемый по формуле (8.101).

Применение тепловых насосов в перспективе может быть значительным. Это обусловлено, в первую очередь, экологическими проблемами среды обитания человека, а также энергетическими проблемами. Тепловые на­сосы позволяют отобрать тепловую энергию от промышленных сточных вод и полезно ее использовать для бытовых нужд.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *