9.5. Тепловий насос

В процесі роботи всякої холодильної установки теплота відбирається із охолодженого об’єму і передається середовищу із вищою температурою. Отже, результатом здійснення холодильного циклу є не тільки охолодження тепловіддавача, але і нагрівання теплоприймача.

Це дозволило Кельвіну висунути передбачення про використання холодильного циклу для нагрівання приміщень, тобто про створення так званого теплового насоса.

Тепловим насосом називається установка, яка використовується для підведення теплоти до об’єкту, який нагрівають. Такого роду установка називається тепловим насосом тому, що вона ніби “перекачує” теплоту із холодного джерела в гаряче в кількості q₁, яке дорівнює сумі теплоти q₀, відведеної від холодного джерела, і роботи l_ц., яка підводиться ззовні для здійснення цього холодильного циклу. По суті тепловим насосом є всяка холодильна установка, але, зазвичай, цей термін використовується для позначення тих установок, головним завданням яких є нагрівання теплоприймача.

Ефективність теплового насоса оцінюється величиною так званого опалювального коефіцієнта, що являє собою відношення кількості тепла q₁ підведеного до об’єму, який нагрівають, до величини l_ц., підведеного в циклі:

(9.31)

Але так як q₁ = q₀ + l_ц.,

то з врахуванням того, що холодильний коефіцієнт дорівнює отримаємо (9.32)

Тобто _опал. =  + 1. (9.33)

Із цього співвідношення випливає, що чим вищий холодильний коефіцієнт, тим вищий і опалювальний коефіцієнт циклу. Оскільки в тепловому насосі завжди q₁ > l_ц, то завжди ε_опал > 1; це видно також і з рівняння (9.33). Зазвичай, величина опалювального коефіцієнта оборотних циклів теплових насосів значно вища від одиниці. Так, наприклад, якщо в тепловому насосі здійснюється обернений цикл Карно, то у випадку, коли температура охолоджуваного простору Т₂ = 0 С, а температура приміщення, яке нагрівають, Т₁ = 25 С, опалювальний коефіцієнта такого теплового насосу буде дорівнювати:

тобто, в цьому випадку в опалюване приміщення подається теплота, кількість якої в 11,9 рази більша, від роботи, яка затрачена в циклі.

10. Теплові парові цикли

В сучасній стаціонарній теплоенергетиці в основному використовується парові теплові установки. Теплові установки, в яких як робоче тіло використовується пара, мають певні особливості та переваги, що суттєво відрізняються від теплових установок із газоподібним робочим тілом.

Найпоширенішим робочим тілом теплових парових циклів є вода-найдоступніше та найдешевше робоче тіло, яке також відповідає одній із основних вимог, що ставляться до робочих тіл паросилових установок (ПСУ) – при атмосферному тиску і температурі навколишнього середовища робоче тіло повинно знаходитися в рідкому стані.

10.1. Парові установки, які працюють по циклу Карно (конденсаційному циклу)

Використання робочого тіла, яке змінює на протязі циклу свій агрегатний стан, дозволяє на практиці здійснити цикл Карно.

Нагадаємо, що цикл Карно складається з двох адіабат та двох ізотерм. Здійснити практично адіабатичні процеси стиснення та розширення робочого тіла є можливим. Деякі відхилення від ізоентропійних (адіабатних) процесів незначно впливають на зменшення термічного ККД циклу.

Практичне здійснення ізотермічних процесів підведення та відведення тепла в газових теплосилових установках пов’язане із значними труднощами. Щоб наблизити реальні процеси до ізотермічних, використовують багатоступінчасте стиснення повітря з проміжним охолодженням (в компресорах) та ступінчасте підведення тепла (в газотурбінних установках).

Але в паросилових циклах ці процеси можна здійснити реально.

У випадку потоку речовини технічно найпростішим в реалізації процесом підведення та відведення теплоти є ізобарний процес. Всередині двофазної області стану чистої речовини ізобари співпадають з ізотермами. Значить, процеси ізобарного підведення теплоти до вологої пари (пароутворення), a також ізобарного відведення теплоти від вологої пари (конденсація), які в той же час є ізотермічними процесами, легко можна здійснити на практиці. Звідси випливає, що якщо використовувати вологу пару як робоче тіло і здійснити цикл, який складається із двох адіабат і двох ізобар (які в той же час є ізотермами), то це і буде цикл Карно.

Схема паросилової установки (ПСУ), в якій здійснюється цикл Карно (ідеальна ПСУ)

Цей цикл є теоретичним циклом ПСУ, яка працює на вологій парі, схема якої зображена на рис. 10.1а, a графічне зображення циклу такої ПСУ – на рис. 10.1б.

P.S. Цикл Карно, який здійснюється в ідеальних ПСУ – прямий (за годинниковою стрілкою) зворотний.

В паровий котел І подається волога водяна пара з низьким ступенем сухості x₄  1 (т. 4). За рахунок теплоти згоряння палива в паровому котлі І q₁ ступінь сухості пари підвищується до значення х₁  1, тобто проходить випаровування рідини (пароутворення) – ізобарно-ізотермічний процес 4-1 при Т₁ = const. При цьому ентропія пари зростає від s₄ до s₁.

Рис. 10.1. Схема ідеальної ПСУ (а) та графічне зображення циклу Карно ПСУ в Т-s –координатах (б): І –парогенератор (водяний котел); ІІ– парова турбіна; ІІІ – електрогенератор; ІV – конденсатор; V – компресор.

Із парогенератора І майже суха насичена пара з параметрами p₁, Т₁, і₁ надходить в парову турбіну ІІ, в якій вона адіабатично при s₁ = s₂ розширюється (пр. 1-2). При цьому її параметри змінюються: температура падає від Т₁ до Т₂; тиск знижується від p₁ до p₂; ентальпія знижується від і1 до і₂ а вологість зростає від х₁ до х₂. В результаті розширення пара набуває значної кінетичної енергії швидкості. На лопатках турбіни кінетична енергія пари перетворюється в механічну енергію обертання робочого колеса турбіни, а потім - в електричну енергію в електрогенераторі ІІІ. На виході із турбіни (т. 2) мята волога пара має тиск p₂ і температуру Т₂, (яка відповідає цьому тиску), та ступінь сухості х₂ < 1. З цими параметрами мята пара подається в конденсатор ІУ, в якому охолоджуючою водою від неї відбирається теплота в кількості q₂ і пара частково конденсується (ізобарно-ізотермічний процес 2-3), який відбувається при p₂ = const та Т₂ = const. При цьому вологість пари зростає від х₂ до х₃, а ентропія – зменшується від s₂ до s₃. Із конденсатора волога пара з параметрами s₃, і₃, p₂, Т₂, х₃ перекачується конденсатором в парогенератор І (адіабатичний процес стиснення пари 3-4) при s₃ = s₄ = const і цикл завершується. Таким чином, на ділянці циклу від виходу із компресора до входу в турбіну тиск робочого тіла (р.т.) - р₁, а на ділянці циклу від виходу із турбіни і до входу в компресор р.т. має тиск р₂.

Термічний ККД оборотного прямого циклу Карно, який здійснюється на вологій парі, як і циклу Карно, що здійснюється з будь-яким іншим робочим тілом, розраховується за рівнянням :

_тк = (Т₁ – Т₂)/Т₁. (10.1)

Отже, для оборотного циклу Карно, який здійснюється на вологій парі _тк < 1. Хоча це досить високий ККД.

Але все таки, з врахуванням умов роботи теплового обладнання практична реалізація цього циклу недоцільна, так як при роботі на вологій парі, яка являє собою потік сухої насиченої пари із завислими в ній крапельками води (т. 1), умови роботи проточних частин турбін і компресорів є досить важкими, виникають явища кавітації, течіння є газодинамічно недосконалим і внутрішній відносний ККД цих машин _в.і. знижується. Внаслідок цього внутрішній абсолютний ККД циклу _і = _т х _в.і. є досить низьким.

Важливим є і те, що компресор для стискання вологої пари з низькими тисками і високими питомими об’ємами є досить громіздкий, не зручний в експлуатації пристрій, на привід якого затрачається велика кількість енергії.

Тому цикл Карно, що здійснюється в області вологої пари (область під інверсійною кривою), не знайшов практичного використання.