1. Описание схемы и принципа действия установки

В 1824 году Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности тепловых насосов. Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину. Тепловая машина получает тепло от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу. Тепловой насос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой (рис 3). Можно легко показать, что если обе эти машины обратимы (т.е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение Q_H / W. Если бы это было не так, то можно было бы построить вечный двигатель, просто соединив одну машину с другой.

следует отличать от аналогичного отношения Q_L/ W, применяемого в технике.

Цикл Карно изображает рабочий процесс идеальной тепловой машины, работающей в заданном интервале температур. Стрелки показывают направление процесса для теплового насоса. Тепло изотермически подводится при температуре T_L и изотермически отводится при температуре T_H. Сжатие и расширение производится при постоянной энтропии, а работа подводится от внешнего двигателя. Используя определение энтропии и законы термодинамики, можно показать, что коэффициент преобразования для цикла Карно имеет вид

η = T_L /( T_H– T_L) + 1 = T_H / ( T_H– T_L). (1.1)

Никакой тепловой насос, созданный в пределах нашей Вселенной, не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы реализуют стремление максимально приблизиться к этому.

Энергоносители, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой для осуществления теплонасосного цикла, называют источниками теплоты. Они воспринимают тепловую энергию путем теплопередачи, конвекции и (или) излучения. низкопотенциального тепла

Рис.3.Термодинамическая схема теплового насоса и теплового двигателя.

Q_H

T_H

W

W

1

2

T_L

Q_L

1– тепловой насос; 2–тепловой двигатель; T_H– высокая температура; T_L– низкая температура.

Энергоносители, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой для осуществления теплонасосного цикла, называют источниками теплоты. Они воспринимают тепловую энергию путем теплопередачи, конвекции и (или) излучения. низкопотенциального тепла

Энергоносители, воспринимающие в теплонасосном цикле тепловую энергию повышенного потенциала, называют приемниками тепла. Они воспринимают тепловую энергию путем теплопередачи, конвекции и (или) излучения. Энергоноситель, служащий источником теплоты, поступает в испаритель, где испаряется жидкий хладагент. Теплота испарения, необходимая для этого, отбирается от источника тепла, так как испарение хладагента происходит при низкой температуре.

В круговом цикле пары испарившегося хладагента всасываются компрессором и сжимаются до высокого давления. При сжатии их температура повышается, что создает возможность отдачи тепловой энергии теплоприемнику.

Пары хладагента при повышенном давлении поступают в конденсатор, через который протекает энергоноситель, служащий приемником тепла. Его температура ниже температуры паров хладагента при повышенном давлении. При конденсации пара выделяется тепловая энергия, воспринимаемая теплоприемником. Из конденсатора жидкий хладагент через регулирующий вентиль (дроссельный клапан) поступает обратно в испаритель, и круговой цикл замыкается. В регулирующем вентиле высокое давление, при котором находится хладагент на выходе из конденсатора, снижается до давления в испарителе. Одновременно снижается его температура.

Таким образом, с помощью теплового насоса возможна передача тепловой энергии от источника теплоты с низкой температурой к приемнику теплоты с высокой температурой при подводе извне механической энергии для привода компрессора (приводной энергии).

В соответствии с видом затрачиваемой энергии ТН можно разделить на работающие с затратой механической энергии (компрессорные) и работающие с затратой тепла (абсорбционные, пароэжекторные и адсорбционные).

В настоящее время наибольшее распространение получили компрессионные тепловые насосы.

Тепло от низкопотенциального источника поступает в ис­паритель ТН, где отдает свое тепло рабочему телу, например фреону. Образовавшийся пар фреона при сжатии в компрессо­ре нагревается до 80-95°С и поступает в конденсатор, где, кон­денсируясь, отдает свое тепло в систему отопления. Затем жид­кий, но еще горячий фреон в теплообменнике отдает тепло хо­лодной воде, нагревая ее до уровня, необходимого для горячего водоснабжения.

Охлажденный жидкий фреон поступает в дроссель, где дросселируется до давления, при котором фреон переходит в парообразное состояние при температуре низкопотенциального источника, и цикл повторяется.