Тепловой насос и холодильный цикл

Подробную информацию о практичных тепловых насосах см. в разделе «Тепловой насос» .

Термодинамические циклы теплового насоса или циклы охлаждения представляют собой концептуальные и математические модели для систем теплового насоса , кондиционирования воздуха и охлаждения . Тепловой насос — это механическая система, которая передает тепло из одного места («источника») с определенной температурой в другое место («приемник» или «радиатор») с более высокой температурой. Таким образом, тепловой насос можно рассматривать как «нагреватель», если целью является нагрев радиатора (как при обогреве внутренней части дома в холодный день), или как «холодильник» или «охладитель», если цель состоит в для охлаждения источника тепла (как при нормальной работе морозильной камеры). Принципы работы в обоих случаях одинаковы; энергия используется для перемещения тепла из более холодного места в более теплое.

Термодинамические циклы

Согласно второму закону термодинамики , тепло не может самопроизвольно перетекать из более холодного места в более горячее; работа . для достижения этого необходима Кондиционеру требуется работа по охлаждению жилого помещения, перенося тепло из охлаждаемого интерьера (источник тепла) наружу (радиатор). Точно так же холодильник передает тепло изнутри холодного холодильника (источник тепла) к более теплому воздуху комнатной температуры на кухне (радиатор). Принцип работы идеального теплового двигателя был математически описан использованием цикла Карно в 1824 году с Сади Карно . Идеальный холодильник или тепловой насос можно рассматривать как идеальный тепловой двигатель , работающий в обратном цикле Карно.

Циклы теплового насоса и циклы охлаждения можно разделить на типы сжатия пара , абсорбции пара , газового цикла или цикла Стирлинга .

Цикл сжатия пара

Основная статья: Парокомпрессионное охлаждение

Парокомпрессионное охлаждение

цикла теплового насоса Для сравнения простая стилизованная схема парокомпрессионного холодильного : 1) конденсатор , 2) расширительный клапан , 3) испаритель , 4) компрессор (Обратите внимание, что эта схема перевернута по вертикали и горизонтали по сравнению с предыдущей)

Диаграмма температура–энтропия парокомпрессионного цикла.

Цикл сжатия пара используется во многих системах охлаждения, кондиционирования воздуха и других системах охлаждения, а также в тепловых насосах для отопления. Имеется два теплообменника: один — конденсатор , который более горячий и выделяет тепло, а другой — испаритель, который холоднее и принимает тепло. Для применений, в которых необходимо работать как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения, используется реверсивный клапан для переключения ролей этих двух теплообменников.

В начале термодинамического цикла хладагент поступает в компрессор в виде пара низкого давления и низкой температуры. Затем давление увеличивается, и хладагент уходит в виде перегретого газа с более высокой температурой и более высоким давлением. Этот горячий газ под давлением затем проходит через конденсатор , где он отдает тепло в окружающую среду, охлаждаясь и полностью конденсируясь. Затем более холодная жидкость под высоким давлением проходит через расширительный клапан (дроссельный клапан), который резко снижает давление, вызывая резкое падение температуры. Холодная смесь жидкости и пара под низким давлением затем проходит через испаритель, где полностью испаряется, принимая тепло из окружающей среды, прежде чем вернуться в компрессор в виде газа низкого давления и низкой температуры, чтобы снова начать цикл.

В некоторых более простых приложениях с фиксированными рабочими температурами, таких как бытовой холодильник , могут использоваться компрессор с фиксированной скоростью и расширительный клапан с фиксированным отверстием. Приложения, которым необходимо работать с высоким коэффициентом полезного действия в самых разных условиях, как в случае с тепловыми насосами , где внешняя температура и внутренняя потребность в тепле значительно меняются в зависимости от сезона, обычно используют инверторный компрессор с регулируемой скоростью и регулируемый расширительный клапан для управления. давление цикла более точно.

Приведенное выше обсуждение основано на идеальном холодильном цикле со сжатием пара и не учитывает реальные эффекты, такие как падение давления из-за трения в системе, незначительная термодинамическая необратимость во время сжатия паров хладагента или неидеальное поведение газа (если любой).

Цикл поглощения пара

Основная статья: Абсорбционный холодильник

В первые годы двадцатого века цикл абсорбции пара с использованием водно-аммиачных систем был популярен и широко использовался, но после разработки цикла сжатия пара он во многом потерял свое значение из-за низкого коэффициента полезного действия (около одного пятая часть цикла сжатия пара). В настоящее время цикл поглощения пара используется только там, где тепло более доступно, чем электричество, например, промышленное тепло , солнечная тепловая энергия от солнечных коллекторов или автономное охлаждение в транспортных средствах для отдыха .

Цикл абсорбции аналогичен циклу сжатия, но зависит от парциального давления паров хладагента. В абсорбционной системе компрессор заменен абсорбером и генератором. Абсорбер растворяет хладагент в подходящей жидкости (разбавленном растворе), в результате чего разбавленный раствор становится крепким раствором. В генераторе при добавлении тепла температура повышается, а вместе с этим из крепкого раствора высвобождается парциальное давление паров хладагента. Однако генератору требуется источник тепла, который будет потреблять энергию, если не будет использоваться отходящее тепло. В абсорбционном холодильнике используется подходящая комбинация хладагента и абсорбента. Наиболее распространенными комбинациями являются аммиак (хладагент) и вода (абсорбент), а также вода (хладагент) и бромид лития (абсорбент).

Абсорбционные холодильные системы могут работать за счет сжигания ископаемого топлива (например, угля , нефти , природного газа и т. д.) или возобновляемых источников энергии (например, отходящего тепла рекуперации , сжигания биомассы или солнечной энергии ).

Газовый цикл

Когда рабочим телом является газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазу, цикл охлаждения называется газовым циклом . воздух Этим рабочим телом чаще всего является горячего и холодного газового типа . Поскольку в газовом цикле не предусмотрена конденсация и испарение, компонентами, соответствующими конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, являются теплообменники .

При данных экстремальных температурах газовый цикл может быть менее эффективным, чем цикл сжатия пара, поскольку газовый цикл работает по обратному циклу Брайтона вместо обратного цикла Ренкина . Таким образом, рабочая жидкость никогда не получает и не отдает тепло при постоянной температуре. В газовом цикле эффект охлаждения равен произведению удельной теплоемкости газа и повышения температуры газа на низкотемпературной стороне. Следовательно, для одной и той же охлаждающей нагрузки машинам газового холодильного цикла требуется больший массовый расход, что, в свою очередь, увеличивает их габариты.

Из-за более низкой эффективности и большего размера охладители воздушного цикла не часто применяются в наземном охлаждении. Однако машина с воздушным циклом очень распространена на газотурбинными с реактивных авиалайнерах двигателями, поскольку сжатый воздух легко доступен из компрессорных секций двигателей. Охлаждающие и вентиляционные установки этих реактивных самолетов также служат для обогрева и создания давления в кабине самолета .

Двигатель Стирлинга

Основная статья: Двигатель Стирлинга

Тепловая с циклом Стирлинга машина может приводиться в движение в обратном направлении, используя подводимую механическую энергию для управления теплопередачей в обратном направлении (например, тепловой насос или холодильник). Существует несколько конструктивных конфигураций таких устройств, которые можно построить. В некоторых таких установках требуются вращающиеся или скользящие уплотнения, что может привести к сложному компромиссу между потерями на трение и утечкой хладагента.

Обратный цикл Карно

Цикл Карно , имеющий квантовый эквивалент, обратим, поэтому четыре составляющих его процесса, два изотермических и два изоэнтропических, также могут быть обращены вспять. Когда цикл Карно выполняется в обратном направлении, его называют обратным циклом Карно . Холодильник или тепловой насос, работающий по обратному циклу Карно, называется холодильником Карно или тепловым насосом Карно соответственно. На первой стадии этого цикла хладагент изотермически поглощает тепло от низкотемпературного источника T _L в количестве Q _L . без теплопередачи) и его температура повышается до температуры высокотемпературного источника TH _. Далее хладагент сжимается изоэнтропически (адиабатически , Затем при этой высокой температуре хладагент изотермически отдает тепло в количестве Q _H < 0 (отрицательное согласно соглашению о знаках тепла, теряемого системой). Также на этом этапе хладагент в конденсаторе превращается из насыщенного пара в насыщенную жидкость. Наконец, хладагент расширяется изоэнтропически до тех пор, пока его температура не упадет до температуры низкотемпературного источника. Т _Л .

Коэффициент производительности

Основная статья: Коэффициент производительности

Качество холодильника или теплового насоса определяется параметром, называемым коэффициентом полезного действия (КПД). Уравнение:

${\rm {COP}}={\frac {|Q|}{W_{net,in}}}$

где

• $Q$ – полезное тепло, отдаваемое или поглощаемое рассматриваемой системой.
• $W_{net,in}$ — чистая работа , совершаемая над рассматриваемой системой за один цикл.

Подробный КПД холодильника определяется следующим уравнением:

${\rm {COP_{R}}}={\frac {\text{Desired Output}}{\text{Required Input}}}={\frac {\text{Cooling Effect}}{\text{Work Input}}}={\frac {Q_{L}}{W_{\text{net,in}}}}$

КПД теплового насоса (иногда называемый коэффициентом усиления COA) определяется следующими уравнениями, где действует первый закон термодинамики : $W_{net,in}+Q_{L}+Q_{H}=\Delta _{cycle}U=0$ и $|Q_{H}|=-Q_{H}$ использовался на одном из последних шагов:

${\rm {COP_{HP}}}={\frac {\text{Desired Output}}{\text{Required Input}}}={\frac {\text{Heating Effect}}{\text{Work Input}}}={\frac {|Q_{H}|}{W_{\text{net,in}}}}={\frac {W_{net,in}+Q_{L}}{W_{\text{net,in}}}}=1+{\frac {Q_{L}}{W_{\text{net,in}}}}$

КПД холодильника и теплового насоса может быть больше единицы. Объединение этих двух уравнений приводит к:

${\rm {COP_{HP}}}=1+{\rm {COP_{R}}}$ для фиксированных значений Q _H и Q _L .

Это означает, что COP _HP будет больше единицы, поскольку COP _R будет положительной величиной. В худшем случае тепловой насос будет поставлять столько энергии, сколько потребляет, что заставит его действовать как резистивный нагреватель. Однако в действительности, как и при отоплении дома, часть Q _H теряется в наружный воздух через трубопроводы, изоляцию и т. д., в результате чего показатель COP _HP падает ниже единицы, когда температура наружного воздуха слишком низкая.

Для холодильников Карно и тепловых насосов КПД можно выразить через температуру:

${\rm {COP_{R,Carnot}}}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}={\frac {1}{(T_{H}/T_{L})-1}}$

${\rm {COP_{HP,Carnot}}}={\frac {T_{H}}{T_{H}-T_{L}}}={\frac {1}{1-(T_{L}/T_{H})}}$

Это верхние пределы COP любой системы, работающей между T _L и T _H .

Ссылки

Примечания

• Тернс, Стивен (2006). Термодинамика: концепции и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 756. ИСБН  0-521-85042-8 .
• Динсер, Ибрагим (2003). Холодильные системы и их применение . Джон Уайли и сыновья. п. 598. ИСБН  0-471-62351-2 .
• Уитмен, Билл (2008). Технология холодильного оборудования и кондиционирования воздуха . Дельмар.

Внешние ссылки

• «Основной холодильный цикл»