Лекція 9. Вибір теплового насоса та джерела низькопотенційної енергії.
Основні цикли теплових насосів, вибір типу циклу, вибір джерела низькопотенційної енергії.
Принцип теплового насоса випливає з робіт Карно й опису циклу Карно, опублікованого в його дисертації в 1824 р. Практичну теплонасосну систему запропонував Вільям Томсон (згодом - лорд Кельвін) у 1852 р. Вона була названа помножувачем тепла й показувала, як можна холодильну машину ефективно використовувати для цілей опалення.
Схема «помножувача тепла» Томсона.
1 - навколишнє повітря; 2 - вхідний циліндр; 3 - теплообмінник; 4 – привід; 5 - парова машина; 6 - вихідний циліндр; 7 – приміщення, що обігрівається.
В обґрунтуванні своєї пропозиції Томсон указував, що обмеженість енергетичних ресурсів не дозволить безупинно спалювати паливо в печах для опалення й що його помножувач тепла буде споживати менше палива, ніж звичайні печі.
Як видно з рис., запропонований Томсоном тепловий насос використовує повітря як робоче тіло. Навколишнє повітря засмоктується в циліндр, розширюється й від цього охолоджується, а потім проходить через теплообмінник, де нагрівається зовнішнім повітрям. Після стиску до атмосферного тиску повітря із циліндра надходить приміщення, що обігрівається, будучи нагрітим до температури вище навколишньої. Є дані про те, що фактично реалізована подібна машина була у Швейцарії.
Холодильні машини розвивалися вже наприкінці XIX ст., але теплові насоси одержали швидкий розвиток лише в 20-х - 30-х роках, коли в Англії була створена перша теплонасосна установка. Холдейн описав в 1930 р. випробування домашнього теплового насоса, призначеного для опалення й гарячого водопостачання, що використовував тепло навколишнього повітря. Після цього почалися роботи в США, що призвели до створення демонстраційних установок, але до цієї стадії було доведено порівняно небагато проектів, тому що всі вони мали лише приватне фінансування.
Перша велика теплонасосна установка в Європі була уведена в дію в Цюріху в 1938—1939 р. У ній використовувалися тепло річкової води, ротаційний компресор і хладоагент [5]. Вона забезпечувала опалення ратуші водою з температурою 60° С при потужності 175 кВт. Була система акумулювання тепла з електронагрівником для покриття пікового навантаження. У літні місяці установка працювала на охолодження.
ЦИКЛ КАРНО
В 1824 р. Карно вперше використовував термодинамічний цикл для опису процесу, і цей цикл залишається фундаментальною основою для порівняння з ним і оцінки ефективності теплових насосів.
Термодинамічна схема теплового насоса і теплового двигуна.
1 — тепловий насос: 2 — тепловий двигун; Тн — висока температура; TL — низька температура.
Ідеальний теплонасосний цикл Карно.
1 - джерело тепла; 2 - компресор; 3 - приводний двигун; 4 - споживач тепла; 5 - розширювальна машина.
Тепловий насос можна розглядати як обернену теплову машину. Теплова машина одержує тепло від високотемпературного джерела й скидає його при низькій температурі, віддаючи корисну роботу. Тепловий насос вимагає витрат роботи для одержання тепла при низькій температурі й віддачі його при більш високій.
Ефективність у випадку теплової машини записується у вигляді W/QH і називається термічним ККД, а для теплового насоса ефективність розраховується у вигляді QН/W і називається коефіцієнтом перетворення (КОП).
Коефіцієнт перетворення для циклу Карно має вигляд
КОП =TL/(TH - TL)+ 1 =TН/(TН - TL).