Теоретичні посилки щодо роботи теплових насосів

В 1824 р. Карно вперше ввів поняття термодинамічного циклу, що залишається фундаментальною основою для порівняння й оцінки ефективності теплових двигунів, зокрема, ТН. Тепловий насос можна розглядати як зворотну теплову машину, що сприймає тепло від високотемпературного джерела й віддає його при низькій температурі, роблячи корисну роботу. Для одержання тепловим насосом тепла при низькій температурі й віддачі його при більш високій необхідно виконати роботу. Отже, тепловий насос — це пристрій, що сприймає (за допомогою рідкого або газового теплоносія) тепловий потік 2/ ПРИ низькій температурі 7/, необхідну для приводу енергію IV і використовуючий дані потоки енергії при підвищеній температурі 7), > 7}.

Теплота, незалежно від засобу її виробництва може бути визначена з діаграми 7> (рис. 1.), як площа фігури е-а-Ь-/9 що лежить нижче температури її виробництва 7},. Вона ділиться на частину над лінією температури навколишнього середовища 7} (а-Ь-с-а*) — ексергію, і частину під лінією 7} {е-а-с-]) — анергію.

Рис. 1. Цикл ідеальної теплової машини (прямий цикл Карно): 1 — детандер; 2 — турбіна генератора

Ексергія має термодинамічну цінність і може бути перетворена в інші види енергії. Анергія термодинамічно марна, вона є в необмеженій кількості в навколишнім середовищі й не може перетворюватися в інші форми енергії.

Прямокутник а-Ь-с-сі може відображати також ідеальний цикл теплового двигуна (прямій цикл Карно) в інтервалі температур 7), і 7/ зі зміною стану робочої речовини:

а-Ь — ізотермічне підведення теплоти при 7;

Ь-с — ізоентропне розширення зі здійсненням роботи 'іуС;

с-<�і~ ізотермічний відвід теплоти цС4 при 7};

сі-а — ізоентропний стиск із витратою роботи и>^Л.

Відношення зробленої роботи до підведеної кількості тепла називається термічним коефіцієнтом корисної дії кругового процесу.

Ідеальний теплонасосний цикл (зворотний цикл Карно) відрізняється від ідеального циклу теплового двигуна напрямком процесу, що протікає. Стан робочої речовини змінюється в такий спосіб (рис. 2):

<�і-сізотермічне підведення теплоти <7</с при Тч;

с-Ь — ізоентропний стиск із витратою роботи;

Ь-а — ізотермічний відвід цЬа при 7*;

а-сіізоентропне розширення з поверненням роботи >а (і.

Таким чином, завдяки застосуванню ТН при підведенні механічної енергії № = м>сасі може сприйматися теплота цас при низької Тч при високої температурі Т,.

Рис. 2. Цикл ідеального теплового насоса (зворотний цикл Карно): 1 — детандер; 2 — компресор

Відношення корисної теплоти цьа до витрат роботи називається коефіцієнтом перетворення (КОП) зворотного циклу Карно для ТН із механічним приводом.

Звідси витікає, що ніякий тепловий насос не може мати КОП краще граничного циклу Карно.

Цикли ТН, холодильної машини й машини для комбінованого вироблення теплоти й холоду принципово не відрізняються друг від друга. Це зворотні цикли Карно, що працюють у різних температурних інтервалах (рис. 3.): а) ТН-цикл — від температури навколишнього середовища Те, як джерела теплоти, до робочої температури 7;

• б) цикл холодильної машини — від температури охолодження Тп до температури навколишнього середовища Те;
• в) комбінована система вироблення холоду й тепла — від температури охолодження Тп до робочої температури Тц.

Рис. 3. Ідеальні цикли: теплового насоса (а), холодильної машини (б) і комбінованої установки (в)

тепловий насос абсорбційний холодильний Для холодильної машини коефіцієнт перетворення Карно (холодильний коефіцієнт).

для комбінованої системи холод-тепло, основне призначення якої є виробництво холоду, доцільно застосувати коефіцієнт перетворення, запропонований Кубе.

Відхилення від ідеалізованого циклу визначається ККД компресора в реальному циклі. Через теплообмін між робочим тілом і компресором і незворотності плину усередині компресора підвищення ентальпії в ньому більше, ніж в ідеалізованому циклі, що також підвищує вихідну температуру. Підвищення ентальпії оцінюється ізоентропним ККД компресора. Ізоентропний ККД для компресорів становить біля 70%.

З метою наближення до ідеального циклу Карно (циклу з механічною компресією пари), а фактично — з метою створення досконалого теплового насоса, необхідно прагнути до підведення теплоти при умовах, близьких до ізотермічних. Для цього підбираються робочі хладоагенти, що змінюють агрегатний стан при необхідних температурах і тисках. Вони поглинають тепло при випарі й віддають при конденсації. Стиск пари, як правило, вимагає, щоб пара була сухою.