Лабораторная работа №2 Изучение конструкции и работы парокомпресионного теплового насоса

Цель работы: получение знаний о тепловых насосах и приобретение навыков по их эксплуатации.

1. Общие сведения о парокомпресионных тепловых насосах

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом преобразования теплоты (или отопительным коэффициентом) и служит показателем эффективности теплового насоса.

Отличие теплового насоса от топливных источников тепла состоит в том, что для работы, кроме энергии для компрессора, ему нужен также источник низкопотенциального тепла, в то время как в традиционных источниках тепла вырабатываемое тепло зависит исключительно от теплотворной способности топлива.

Устройство и термодинамика теплового насоса

В качестве рабочего тела в компрессионном тепловом насосе используется хладоагенты - жидкости с достаточно большой теплотой парообразования, кипящие при низких (+5...-50 °С) температурах и давлениях несколько больших атмосферного. Обычно это аммиак и фреоны.

Основными элементами установки (Рис. 1) является конденсатор 1, дроссель 2, испаритель 3, компрессор 4. В испарителе при низком давлении и, следовательно, при низкой температуре происходит испарение (кипение) фреона за счет тепла низкопотенциального источника тепловой энергии, от которого при этом отбирается количество тепла q₂. Пары фреона отсасывается и сжимаются компрессором, при этом рабочему телу (фреону) сообщается энергия, затрачиваемая компрессором L_k. Пары затем поступают в конденсатор (теплообменник, аналогичный испарителю), где фреон конденсируется при более высоком давлении, создаваемым компрессором, а следовательно, при более высокой температуре. При конденсации отбирается тепло от рабочего тела, это производится теплоносителем в системе потребителя теплоты (он холоднее конденсирующегося фреона), этот теплоноситель отбирает от фреона количество тепла q₁. Жидкий фреон затем поступает в дроссель (это тонкое отверстие), давление резко снижается. В испаритель фреон поступает с низким давлением, и цикл повторяется.

Рис. 1 Схема компрессионного теплового насоса 1) конденсатор, 2) дроссель, 3) испаритель, 4) компрессор.

Описанная схема может выполнять две задачи: охлаждать или нагревать объект. Машины, предназначенные для отбора тепла от тел с низкой температурой, называются холодильниками; устройства, передающие тепло телам с более высокой температурой, называются тепловыми насосами, т.е. название агрегата зависит от функции.

По II закону термодинамики тепло не может само собой переходить от холодного тела (источник низкопотенциальной тепловой энергии) к теплому (теплоноситель в системе у потребителя). Для осуществления такого теплового потока требуется затрата энергии. В данном случае эта энергия представлена энергией, затраченной компрессором:

. (1)

Следовательно, горячему телу с температурой Т₁ передается больше тепла, чем взято у холодного тела с температурой Т₂: . В этом заключается термодинамический смысл отопления описанным способом (отбирается тепло от холодного тела, добавляется энергия, приложенная к рабочему телу).

Обратный цикл Карно (теоретическое сочетание процессов в данной схеме) характеризуется отопительным коэффициентом :

(2)

и холодильным коэффициентом ε:

(3)

которые связаны между собой так:

(4)

Чем меньше , тем выше эффективность работы (меньше затрачивается энергия на "прокачку" тепла), т.е. при отоплении желательно использовать на испарителе наиболее теплые источники (сбросная вода TЭС, геотермальные воды и т.п.), а при охлаждении объектов - на конденсаторе нужно использовать наиболее холодные источники (не подвергать облучению солнцем, подальше от теплых тел, выбирать по возможности холодные места).