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. [1] Таким образом, тепловой насос можно рассматривать как «нагреватель», если его целью является нагрев радиатора (как при обогреве внутренней части дома в холодный день), или как «холодильник» или «охладитель», если цель состоит в том, чтобы охладить источник тепла (как при нормальной работе морозильной камеры). 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 достижения этого требуется работа . [3] 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 Сади Карно в 1824 году с использованием цикла Карно . Идеальный холодильник или тепловой насос можно рассматривать как идеальный тепловой двигатель , работающий в обратном цикле Карно. [4]
Циклы теплового насоса и циклы охлаждения можно разделить на типы сжатия пара , абсорбции пара , газового цикла или цикла Стирлинга .
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, которые должны работать как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения, используется реверсивный клапан для переключения ролей этих двух теплообменников. [ нужна 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 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. [7] Холодная смесь жидкости и пара низкого давления 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]
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. [ нужна цитата ]
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). [4]
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, рекуперации отходящего тепла , сжигания биомассы или солнечной энергии ).
Когда рабочим телом является газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазу, цикл охлаждения называется газовым циклом . Этим рабочим телом чаще всего является воздух . Поскольку в газовом цикле не предусмотрена конденсация и испарение, компонентами, соответствующими конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, являются теплообменники горячего и холодного газового типа .
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 реактивных авиалайнерах с газотурбинными 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 .
Тепловой двигатель с циклом Стирлинга [9] может работать 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.
Цикл Карно , имеющий квантовый эквивалент [10] , является обратимым, 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 . Далее хладагент сжимается изоэнтропически (адиабатически , без теплопередачи) и его температура повышается до температуры высокотемпературного источника TH . 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 T L . [2]
Качество холодильника или теплового насоса определяется параметром, называемым коэффициентом полезного действия (КПД). Уравнение:
где
Подробный КПД холодильника определяется следующим уравнением:
КПД теплового насоса (иногда называемый коэффициентом усиления COA) определяется следующими уравнениями, в которых используется первый закон термодинамики : и использовался на одном из последних этапов:
КПД холодильника и теплового насоса может быть больше единицы. Объединение этих двух уравнений приводит к:
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. [2]
Для холодильников Карно и тепловых насосов КПД можно выразить через температуру:
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )