Основні теоретичні відомості

Теплові двигуни та холодильні машини працюють на основі кругових (циклічних) процесів в результаті яких система повертається у вихідний стан. Теплова машина складається з робочого тіла, нагрівача та холодильника. До теплових машин відносять парові та газові турбіни, двигуни внутрішнього згорання, холодильні машини та ін.

Робоче тіло ¾ термодинамічна система, що здійснює круговий (циклічний) процес і призначена для перетворення одної форми енергії ¾ теплоти або роботи ¾ в іншу. У тепловому двигуні робоче тіло, одержавши енергію у формі тепла, частину її передає зовні у формі роботи. За звичай, робочим тілом виступає газ.

Нагрівачем називається термодинамічна система, що передає іншій термодинамічній системі енергію у формі тепла Q1 (див. Мал.1).

Холодильником називається термодинамічна система, що одержує від досліджуваної системи енергію у формі тепла Q2 .

Прямий круговий процес 1а2b1 зображено на діаграмі мал.1. Він складається з процесу розширення робочого тіла - 1а2 та стиснення - 2b1. Якщо процес може проходити й у зворотному напрямкові, то він називається оборотним.

Мал.. 1

При цьому у робочому тілі та оточуючому середовищі не залишається будь-яких змін. Інакше, процес є не оборотним.

Р обота проти зовнішнього тиску, що здійснюється системою в оборотному круговому процесі, вимірюється площею, обмеженою кривою 1a2b1 цього процесу на діаграмі P-V. Дійсно, на шляху від V1 до V2 система виконує роботу

На шляху від V2 до V1 робота виконується із зовні над системою і вона дорівнює

В підсумку робота системи за цикл дорівнює

Прямий цикл ¾ круговий процес, у якому система виконує додатну роботу А>0, обхід замкненої кривої проводиться за годинниковою стрілкою. В іншому випадку цикл називається зворотнім.

За визначенням, термічним коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплової машини h_t називається відношення теплового еквівалента роботи A, яку виконує робоче тіло в прямому круговому процесі, до суми всього тепла Q1, яке при цьому передається робочому тілу нагрівачем

ККД холодильної установки дорівнює відношенню кількості тепла Q2, забраного від охолоджуваного тіла, до теплового еквівалента роботи А, що витрачається при цьому

Холодильна установка працює у зворотному напрямі до теплової машини.

Класифікація і область застосування

За допомогою холодильної машини тепло можна перенести і до джерела, температура якого значно вище навколишнього середовища. Це тепло можна корисно використовувати, наприклад, для опалення. У цьому випадку холодильну машину прийнято називати тепловим насосом.

По виду енергії, що закачується, холодильні машини поділяють на компресійні, теплоізолюючі та термоелектричні. Компресійні машини споживають механічну енергію, теплоізолюючі - теплову енергію джерел тепла з температурою вище навколишнього середовища, термоелектричні машини використовують безпосередньо електричну енергію.

У машинах перших двох типів перенесення тепла досягається в результаті здійснення робочим тілом в машині зворотного кругового процесу (зворотний цикл). У термоелектричної машині перенесення тепла відбувається при впливі потоку електронів на атоми.

Розширювальні холодильні машини- для повітря, робота яких заснована на тому, що робоче тіло (холодильний агент) за рахунок витрати|затрати| зовнішньої роботи здійснює|скоює| зворотний круговий термодинамічний процес (холодильний цикл). У паро-компресійних|, абсорбції і паро-ежекторних| холодильних машинах для здобуття|отримання| ефекту охолоджування|охолодження| використовують кипіння низько-киплячих рідин. У розширювальних для повітря холодильних машинах охолоджування|охолодження| досягається за рахунок розширення стислого повітря в детандері|.

У залежності від властивостей та агрегатного стану робочих тіл, за допомогою яких здійснюються процеси, холодильні машини діляться на парові і газові. У парових холодильних машинах робочі тіла при здійсненні процесів змінюють свій агрегатний стан. У газових холодильних машинах агрегатний стан робочого тіла не змінюється.

Тепловий насос - термодинамічна установка, в якій теплота від низькопотенційного джерела передається споживачеві при більш високій температурі. При цьому затрачається механічна енергія.

Великою перспективою є використання теплових насосів в системах гарячого водопостачання будинків (ГВБ). Відомо, що в річному циклі на ГВБ витрачається приблизно стільки ж тепла, як і на опалювання будівель.

Джерелом низькопотенційної теплової енергії може бути тепло як природного, так і штучного походження. В якості природних джерел низькопотенційного тепла можуть бути використані:

• тепло землі (тепло грунту);

• підземні води (грунтові, артезіанські, термальні);

• зовнішнє повітря.

Штучними джерелами низькопотенційного тепла можуть виступати:

• видалене вентиляційне повітря;

• каналізаційні стоки (стічні води);

• промислові скиди;

• тепло технологічних процесів;

• побутові тепловиділення.

Таким чином, існують великі потенційні можливості використання енергії навколо нас, і тепловий насос є найбільш вдалим шляхом реалізації цього потенціалу.

Раніше тепловий насос використовувався в першу чергу для кондиціонування (охолодження) повітря. Проте характеристики цього обладнання стрімко змінюються: зараз у багатьох країнах Європи теплові насоси використовуються в опаленні та ГВБ. Таке положення пов'язане з пошуком екологічних рішень: замість традиційного спалювання викопного палива - використання альтернативних джерел енергії, наприклад, сонячної. Для масового споживача одним з найбільш бажаних варіантів використання нетрадиційних джерел енергії є використання низькопотенційного тепла за допомогою теплових насосів.

Існують різні варіанти класифікації теплових насосів. Обмежимося поділом систем по їх оперативними функцій на дві основні категорії:

• теплові насоси тільки для опалення та / або гарячого водопостачання, що застосовуються для забезпечення комфортної температури в приміщенні і / або приготування гарячої санітарної води;

• інтегровані системи на основі теплових насосів, які забезпечують опалення приміщень, охолодження, приготування гарячої санітарної води і іноді утилізацію відводиться повітря. Підігрів води може здійснюватися або відбором тепла перегріву що подається газу з компресора, або комбінацією відбору тепла перегріву і використання регенерованого тепла конденсатора.

Теплові насоси, призначені виключно для приготування гарячої санітарної води, найчастіше в якості джерела тепла використовують повітря середовища, але рівним чином можуть використовувати і що відводиться повітря.

Слід відзначити, що поступово збільшується пропозиція теплових насосів класу реверсивні "повітря-вода", найчастіше поставляються в комплекті з розширювальним баком і насосним агрегатом. За окремим замовленням постачається накопичувальний резервуар. Такі насоси можна врізати безпосередньо в існуючі водопровідні системи.

У Німеччині та інших країнах Північної Європи поширені теплові насоси, які використовують тепло, що міститься у грунті. Діапазон теплової потужності розроблених моделей найширший - від 5 до 70 кВт.

Паро-компресійні холодильні машини - найбільш поширені і універсальні. Основними елементами машин даного типа|типу| є випарник, холодильний компресор, конденсатор і терморегулюючий| (дросельний) вентиль - ТРВ, які сполучені|з'єднані| трубопроводом, забезпеченим замочною, регулюючою і запобіжною арматурою. До всіх елементів холодильної машини пред'являється вимога високої герметичності. Залежно від вигляду|виду| холодильного компресора паро-компресійні| машини підрозділяються на поршневі, турбокомпресорні, ротаційні і гвинтові.

У паро-компресійній| холодильній машині здійснюється замкнутий цикл циркуляції холодагента|. У випарнику холодагент| кипить (випаровується) при зниженому тиску|тисненні| p_k| і низькій температурі. Необхідна для кипіння теплота віднімається від охолоджуваного тіла, унаслідок|внаслідок| чого його температура знижується (аж до температури кипіння холодагента|). Пара, що утворилася, відсисається|відсмоктує| компресором, стискується|стискає| в нім до тиску|тиснення| конденсації p_k| і подається в конденсатор, де охолоджується водою або повітрям. Унаслідок|внаслідок| відведення|відводу| теплоти від пари він конденсується. Отриманий|одержувати| рідкий холодагент| через ТРВ, в якому відбувається|походить| зниження його температури і тиску|тиснення|, повертається у випарник для повторного випару|випаровування|, замикаючи таким чином цикл роботи машини. Для підвищення економічної ефективності холодильної машини (зниження витрат|затрат| енергії на одиницю кількості теплоти, що відняла від охолоджуваного тіла) інколи|іноді| перегрівають пару, що всмоктується компресором, і переохолоджували рідину перед дроселюванням. З цієї ж причини для здобуття|отримання| температур нижче -30 °С використовують багатоступінчасті|багатоступінчаті| або каскадні холодильні машини.

У багатоступінчастих|багатоступінчатих| холодильних машин стискування|стиснення| пари виробляється|справляє| послідовно в декілька рівнів|ступені| з|із| охолоджуванням|охолодженням| його між окремими рівнями|ступенями|. При цьому в двоступінчатих холодильних машинах отримують|одержують| температуру кипіння холодагента| до -80 °С.

У каскадних холодильних машинах, що є декілька послідовно включених холодильних машин, які працюють на різних, найбільш відповідних|придатних| по своїх термодинамічних властивостях для заданих температурних умов холодагентах|, отримують|одержують| температуру кипіння до -150 °С.

Холодильна машина абсорбції складається з кип'ятильника, конденсатора, випарника, абсорбера, насоса і ТРВ. Робочою речовиною в холодильних машин абсорбції служать розчини двох компонентів (бінарні розчини) з|із| різними температурами кипіння при однаковому тиску|тисненні|. Компонент, киплячий при нижчій температурі, виконує функцію холодагента|; другою служить абсорбентом|вбирачем| (поглиначем). В області температур від 0 до -45 °С застосовуються машини, де робочою речовиною служить водний розчин аміаку (холодагент| - аміак). При температурах охолоджування|охолодження| вище 0 °С переважно використовують машини абсорбції, що працюють на водному розчині броміду літію (холодагент| - вода). У випарнику холодильної машини абсорбції відбувається|походить| випар|випаровування| холодагента| за рахунок теплоти, що забирається| від охолоджуваного тіла. Пара, що утворюється при цьому, поглинається в абсорбері.

Отриманий|одержувати| концентрований розчин перекачується насосом в кип'ятильник, де за рахунок підведення теплової енергії від зовнішнього джерела з|із| нього випаровується холодагент|, а розчин, що залишився, знов|знову| повертається в абсорбер. Що стосується газоподібного холодагента|, то він з|із| кип'ятильника прямує в конденсатор, конденсується там і потім|і тоді| поступає|надходить| через ТРВ у випарник на повторний випар|випаровування|. Вживання|застосування| машин абсорбції вельми|дуже| вигідно на підприємствах, де є|наявний| вторинні|повторні| енергоресурси (відпрацьована пара, гаряча вода, гази промислових печей, що відходять, і так далі). Абсорбційні холодильні машини виготовляють одно-| або двоступінчатими.

Паро-ежекторна холодильні машини складається з ежектора, випарника, конденсатора, насоса і ТРВ. Холодагентом служить вода, як джерело енергії використовується пара тиском|тисненням| 0,3-1 Мн/м2 (3-10 кгс/см2), який поступає|надходить| в сопло ежектора, де розширюється. В результаті в ежекторі і, як наслідок, у випарнику машини створюється знижений тиск|тиснення|, якому відповідає температура кипіння води декілька вище 0 °С (зазвичай|звично| порядку| 5 °С). У випарнику за рахунок часткового випару|випаровування| відбувається|походить| охолоджування|охолодження| такою, що подається споживачеві холоду води. Пара, що відсисає|відсмоктує| з|із| випарника, а також робоча пара ежектора поступає|надходить| в конденсатор, де переходить в рідкий стан|статок|, віддаючи теплоту середовищу|середі|, що охолоджує. Частина|частка| води з|із| конденсатора подається у випарник для поповнення спаду охолоджуваної води.

Розширювальні для повітря холодильні машини відносяться до класу холодильно-газових машин. Холодагентом служить повітря. В області температур приблизно до -80 °С економічна ефективність повітряних машин нижча, ніж паро-компресійних|. Економічнішими є регенеративні повітряні холодильні машини, в яких повітря перед розширенням охолоджується або в протиточному теплообміннику, або в теплообміннику-регенераторі. Залежно від тиску|тиснення| використовуваного стислого повітря повітряні холодильні машини підрозділяються на машини високого і низького тиску|тиснення|. Розрізняють повітряні машини, що працюють по замкнутому і розімкненому циклу.