ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОСЫЛКИ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Идеальный теплонасосный цикл
В 1824 Карно впервые ввел понятие термодинамического цикла, остается фундаментальной основой для сравнения и оценки эффективности тепловых двигателей, в частности, ТН. Тепловой насос можно рассматривать как обратную тепловую машину, воспринимает тепло от высокотемпературного источника и отдает его при низкой температуре, делая полезную работу. Для получения тепловым насосом тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой необходимо выполнить работу. Итак, тепловой насос - это устройство, воспринимающее (с помощью жидкого или газового теплоносителя) тепловой поток 2 / ПРИ низкой температуре 7 /, необходимую для привода энергию IV и использующий данные потоки энергии при повышенной температуре 7),> 7}.
Теплота, независимо от способа ее производства может быть определена из диаграммы 7> (рис. 1.9), как площадь фигуры е-а-ь- / 9 лежащий ниже температуры ее производства 7} ,. Она делится на часть над линией температуры окружающей среды 7} (а-Ь-с-а *) - эксергию, и часть под линией 7} {е-а-с-]) - анергии.
Рис. 1.9. Цикл идеальной тепловой машины (прямой цикл Карно): 1 - детандер; 2 - турбина генератора
Эксергия имеет термодинамическую ценность и может быть преобразована в другие виды энергии. Анергия термодинамически бесполезна, она в неограниченном количестве в окружающей среде и не может превращаться в другие формы энергии.
Прямоугольник а-Ь-с-си может отражать также идеальный цикл теплового двигателя (прямой цикл Карно) в интервале температур 7), и 7 / с изменением состояния рабочего вещества:
а-Ь - изотермический подвода теплоты при 7 ^;
Ь-с - изоентропне расширения с осуществлением работы "ус;
с- <и ~ изотермический отвод теплоты цС4 при 7};
си-я - изоентропний сжатие с расходом работы и> ^ Л.
Отношение проделанной работы ^ = ^ ЬС ~ ^ (иа к подведенной количества тепла цаь называется термическим коэффициентом полезного действия кругового процесса
Идеальный теплонасосной цикл (обратный цикл Карно) отличается от идеального цикла теплового двигателя направлением процесса, протекающего. Состояние рабочего вещества изменяется следующим образом (рис. 1.10):
<и-с- изотермический подвода теплоты <7 </ с при Тч;
с-Ь - изоентропний сжатие с расходом работы;
Ь-а - изотермический отвод цЬа при 7 *;
а-си изоентропне расширения с возвращением работы > а (и.
Таким образом, благодаря применению ТН при подведении механической энергии № = м> с <и - м> асе может восприниматься теплота ЦАС при низкой Тч и отдаваться ц ^ а
при высокой температуре Т ,,.
Рис. 1.10. Цикл идеального теплового насоса (обратный цикл Карно):
/ - Детандер; 2 - компрессор
Отношение полезной теплоты цьа к расходам работы
называется коэффициентом преобразования (КОП) обратного цикла Карно для ТН с механическим приводом
Отсюда следует, что никакой тепловой насос не может иметь КОП лучше предельного цикла Карно.
Циклы ТН, холодильной машины и машины для комбинированной выработки тепла и холода принципиально не отличаются друг от друга. Это обратные циклы Карно, работающих в различных температурных интервалах (рис. 1.11):
а) ТН-цикл - от температуры окружающей среды То, как источника теплоты, до рабочей температуры 7 ^;
б) цикл холодильной машины - от температуры охлаждения Тп до температуры окружающей среды То;
в) комбинированная система выработки холода и тепла - от температуры охлаждения Тп до рабочей температуры Тц.
Рис. 1.11. Идеальные циклы: теплового насоса (а), холодильной машины (б) и комбинированной установки (в)
Для холодильной машины коэффициент преобразования Карно (холодильный коэффициент)
для комоинованнои системы холод-тепло, основное назначение которой является производство холода, целесообразно применить коэффициент преобразования, предложенный Кубе
Отклонение от идеализированного цикла определяется КПД компрессора в реальном цикле. Через теплообмен между рабочим телом и компрессором и необратимости течения внутри компрессора повышение энтальпии в нем больше, чем в идеализированном цикле, что также повышает выходную температуру. Повышение энтальпии оценивается изоентропним КПД компрессора. Изоентропний КПД для компрессоров составляет около 70%.
С целью приближения к идеальному циклу Карно (цикла с механической компрессией пара), а фактически - с целью создания совершенного теплового насоса, необходимо стремиться к подвода теплоты при условиях, близких к изотермическим. Для этого подбираются рабочие хладагентом, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Сжатие пары, как правило, требует, чтобы пара была сухой.
