Термодинамические циклы тепловых насосов или холодильные циклы являются концептуальными и математическими моделями для тепловых насосов , систем кондиционирования воздуха и холодильных систем. Тепловой насос — это механическая система, которая переносит тепло из одного места («источника») при определенной температуре в другое место («приемник» или «теплоотвод») при более высокой температуре. [1] Таким образом, тепловой насос можно рассматривать как «нагреватель», если целью является нагрев теплоотвода (например, при обогреве внутренней части дома в холодный день), или как «холодильник» или «охладитель», если целью является охлаждение источника тепла (например, при нормальной работе морозильника). Принципы работы в обоих случаях одинаковы; [2] энергия используется для перемещения тепла из более холодного места в более теплое.
Согласно второму закону термодинамики , тепло не может самопроизвольно перетекать из более холодного места в более горячее; для этого требуется работа . [3] Кондиционеру требуется работа для охлаждения жилого помещения, перемещая тепло из охлаждаемого внутреннего пространства (источника тепла) наружу (радиатору). Аналогично холодильник перемещает тепло из холодного холодильника (источника тепла) в более теплый воздух комнатной температуры на кухне (радиатору). Принцип работы идеальной тепловой машины был описан математически с использованием цикла Карно Сади Карно в 1824 году. Идеальный холодильник или тепловой насос можно рассматривать как идеальную тепловую машину , которая работает в обратном цикле Карно. [4]
Циклы тепловых насосов и холодильные циклы можно классифицировать как циклы компрессии пара , абсорбции пара , газового цикла или цикла Стирлинга .
Парокомпрессионный цикл используется во многих холодильных установках, системах кондиционирования воздуха и других системах охлаждения, а также в тепловых насосах для систем отопления. Существует два теплообменника: один из них — конденсатор , который горячее и выделяет тепло, а другой — испаритель, который холоднее и принимает тепло. Для приложений, которые должны работать как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения, используется реверсивный клапан для переключения ролей этих двух теплообменников. [ необходима цитата ]
В начале термодинамического цикла хладагент поступает в компрессор в виде пара низкого давления и низкой температуры. В тепловых насосах этим хладагентом обычно является хладагент R32 или хладагент R290. Затем давление увеличивается, и хладагент выходит в виде перегретого газа с более высокой температурой и более высоким давлением. Затем этот горячий сжатый газ проходит через конденсатор , где он отдает тепло окружающей среде, охлаждаясь и полностью конденсируясь. Затем более холодная жидкость высокого давления проходит через расширительный клапан (дроссельный клапан), который резко снижает давление, в результате чего температура резко падает. [7] Холодная смесь низкого давления жидкости и пара затем проходит через испаритель, где она полностью испаряется, принимая тепло из окружающей среды, прежде чем вернуться в компрессор в виде газа низкого давления и низкой температуры, чтобы снова начать цикл. [8]
Некоторые более простые приложения с фиксированными рабочими температурами, такие как бытовой холодильник , могут использовать компрессор с фиксированной скоростью и регулирующий клапан с фиксированной апертурой. Приложения, которые должны работать с высоким коэффициентом полезного действия в очень разнообразных условиях, как в случае с тепловыми насосами , где внешние температуры и внутренняя потребность в тепле значительно меняются в течение сезона, обычно используют инверторный компрессор с переменной скоростью и регулируемый регулирующий клапан для более точного управления давлением цикла. [ необходима цитата ]
Приведенное выше обсуждение основано на идеальном цикле паровой компрессии и не принимает во внимание реальные эффекты, такие как падение давления из-за трения в системе, небольшая термодинамическая необратимость при сжатии паров хладагента или неидеальное поведение газа (если таковое имеется). [4]
В первые годы двадцатого века был популярен и широко использовался цикл паровой абсорбции с использованием водно-аммиачных систем, но после разработки цикла паровой компрессии он утратил большую часть своего значения из-за низкого коэффициента полезного действия (примерно одна пятая от коэффициента полезного действия цикла паровой компрессии). В настоящее время цикл паровой абсорбции используется только там, где тепло более доступно, чем электричество, например, в качестве промышленного отработанного тепла , солнечной тепловой энергии от солнечных коллекторов или автономного охлаждения в транспортных средствах для отдыха .
Абсорбционный цикл похож на компрессионный цикл, но зависит от парциального давления паров хладагента. В абсорбционной системе компрессор заменяется абсорбером и генератором. Абсорбер растворяет хладагент в подходящей жидкости (разбавленный раствор), и поэтому разбавленный раствор становится крепким раствором. В генераторе при добавлении тепла температура повышается, а вместе с ней и парциальное давление паров хладагента выделяется из крепкого раствора. Однако генератору требуется источник тепла, который потреблял бы энергию, если бы не использовалось 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 бромистый литий (абсорбент).
Системы абсорбционного охлаждения могут работать за счет сжигания ископаемого топлива ( например, угля , нефти , природного газа и т. д.) или возобновляемой энергии (например, рекуперации отработанного тепла , сжигания биомассы или солнечной энергии ).
Когда рабочим телом является газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазу, холодильный цикл называется газовым циклом . Чаще всего таким рабочим телом является воздух . Поскольку в газовом цикле не предполагается конденсация и испарение, компонентами, соответствующими конденсатору и испарителю в парокомпрессионном цикле, являются теплообменники типа «горячий газ-газ» .
При заданных экстремальных температурах газовый цикл может быть менее эффективным, чем парокомпрессионный цикл, 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 на повышение температуры газа на стороне низкой температуры. Поэтому для той же охлаждающей нагрузки машины с газовым холодильным циклом требуют большего массового расхода, что, в свою очередь, увеличивает их размер.
Из-за своей низкой эффективности и большего объема воздушные охладители нечасто применяются в наземном охлаждении. Машина воздушного цикла , однако, очень распространена на газотурбинных реактивных авиалайнерах , поскольку сжатый воздух легко доступен из компрессорных секций двигателей. Эти охлаждающие и вентиляционные установки реактивных самолетов также служат для обогрева и создания давления в салоне самолета .
Тепловой двигатель цикла Стирлинга [9] может работать в обратном направлении, используя механическую энергию для передачи тепла в обратном направлении (т. е. тепловой насос или холодильник). Существует несколько конфигураций конструкции для таких устройств, которые могут быть построены. Несколько таких установок требуют вращающихся или скользящих уплотнений, которые могут привести к сложным компромиссам между потерями на трение и утечкой хладагента.
Цикл Карно , имеющий квантовый эквивалент [10] , является обратимым, поэтому четыре процесса, которые его составляют, два изотермических и два изэнтропических, также могут быть обращены. Когда цикл Карно работает в обратном направлении, он называется обратным циклом Карно . Холодильник или тепловой насос, действующий в соответствии с обратным циклом Карно, называется холодильником Карно или тепловым насосом Карно соответственно. На первом этапе этого цикла хладагент изотермически поглощает тепло из низкотемпературного источника, T L , в количестве Q L . Затем хладагент сжимается изоэнтропически (адиабатически, без теплопередачи), и его температура повышается до температуры высокотемпературного источника, T H . Затем при этой высокой температуре хладагент изотермически отдает тепло в количестве Q H < 0 (отрицательном в соответствии с соглашением о знаках для тепла, теряемого системой). Также на этом этапе хладагент переходит из насыщенного пара в насыщенную жидкость в конденсаторе. Наконец, хладагент расширяется изоэнтропически до тех пор, пока его температура не упадет до температуры низкотемпературного источника, T L . [2]
Абсорбционно -компрессионный тепловой насос (ACHP) — это устройство, которое объединяет электрический компрессор в абсорбционном тепловом насосе . В некоторых случаях это достигается путем объединения парокомпрессионного теплового насоса и абсорбционного теплового насоса . Его также называют гибридным тепловым насосом [11] , что, однако, является более широкой областью. Благодаря этой интеграции устройство может получать эффекты охлаждения и нагрева, используя как тепловые , так и электрические источники энергии. [12] [13] Этот тип систем хорошо сочетается с системами когенерации , где вырабатывается как тепло, так и электричество. В зависимости от конфигурации система может максимизировать производство тепла и охлаждения из заданного количества топлива или может улучшить температуру ( следовательно, качество) отработанного тепла от других процессов. [14] Это второе применение является наиболее изученным и применялось в нескольких промышленных приложениях. [15]
Эффективность холодильника или теплового насоса определяется параметром, называемым коэффициентом полезного действия (КПД). Уравнение выглядит следующим образом:
где
Подробный КПД холодильника определяется следующим уравнением:
Коэффициент производительности теплового насоса (иногда называемый коэффициентом усиления COA) определяется следующими уравнениями, где первый закон термодинамики : и был использован на одном из последних шагов:
И COP холодильника, и COP теплового насоса могут быть больше единицы. Объединение этих двух уравнений дает:
Это означает, что COP HP будет больше единицы, поскольку COP R будет положительной величиной. В худшем случае тепловой насос будет поставлять столько же энергии, сколько потребляет, что делает его резистивным нагревателем. Однако в реальности, как и при отоплении дома, часть Q H теряется в наружном воздухе через трубопровод, изоляцию и т. д., что приводит к падению COP HP ниже единицы, когда температура наружного воздуха слишком низкая. [2]
Для холодильников Карно и тепловых насосов КПД можно выразить через температуры:
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )