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
[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.