Принцип действия теплового насоса

Тепловой насос можно рассматривать как обращённую тепловую машину. Тепловая машина получает теплоту (рис. 2.1) от высокотемпературного источника и сбрасывает ее при низкой температуре, совершая полезную работу. Действие теплового насоса основано на втором законе термодинамики, согласно которому теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к более нагретому, для этого необходимо приложить компенсирующее усилие - совершить работу.

Рис. 2.1. Термодинамическая схема теплового насоса и теплового двигателя: 1 -тепловой насос; 2 - тепловой двигатель; Q_H - количество тепловой энергии, поступающей от теплового насоса к источнику высокого потенциала, или получаемой тепловым двигателем от высокотемпературного источника; Q_L- количество тепловой энергии, отбираемой тепловым насосом от источника низкого потенциала, или сбрасываемой тепловым двигателем в окружающую среду; W –работа, подводимая к тепловому насосу, или производимая тепловым двигателем; Т_L Т _H - соответственно, температуры низкопотенциального и высокопотенциального источников.

Тепловой насос требует затраты работы для отбора теплоты при низкой температуре и отдачи ее при более высокой. Тепловой насос - это устройство, в котором происходит перенос тепловой энергии от источника низкого потенциала (окружающая среда) к источнику более высокого потенциала (потребителю).

В практической деятельности в качестве тепловых насосов используют модернизированные холодильные машины.

Холодильная машина отбирает теплоту из ограниченного пространства, в котором требуется создать или поддерживать низкую температуру, и сбрасывает отработанную теплоту и механическую работу в окружающую среду (неограниченное пространство). Тепловой насос отбирает теплоту из неограниченного пространства (например, из окружающей среды) и передает (или перекачивает ее и добавочное количество механической работы) в ограниченное помещение, где необходимо поддерживать постоянную более высокую температуру. Таким образом, тепловой насос отличается от холодильной машины лишь назначением и рабочими температурными уровнями.

При установившемся режиме работы рассматриваемых машин справедливо равенство

Q_H = W + Q_L ,

И в тепловом двигателе и в холодильной машине рабочим телом совершаются круговые процессы (циклы): в тепловом двигателе - прямой круговой процесс, в тепловом насосе - обратный круговой процесс.

Можно показать, что если 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 соотношение количества высокопотенциальной энергии и работы. Только в случае тепловой машины это отношение записывается в виде h = W/Q_H и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно используется в виде m = Q_H/W и называется коэффициентом преобразования теплоты (иногда, например в /32/, встречается название коэффициент преобразования, обозначаемый КОП, в иностранной литературе COP –Coefficient of Performance).

Эффективность обратного цикла, совершаемого в холодильной машине, оценивается отношением теплоты (холода), отнятой от охлаждаемого объекта, к затраченной работе. Это отношение называется холодильным коэффициентом и выражается в виде e = Q_L / W. Коэффициент преобразования теплоты связан с холодильным коэффициентом соотношением m =e + 1.

Обратный цикл Карно является идеальным для теплового насоса рис. 2.2. В нем теплота изотермически подводится при температуре T_L и изотермически отводится при температуре T_H, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии, работа подводится от внешнего двигателя, а коэффициент преобразования теплоты для цикла Карно будет иметь вид:

m =

Из вышеприведенного соотношения видно, что при уменьшении разности между Т_H и Т_L увеличивается коэффициент преобразования, а это делает применение теплового насоса более эффективным. Значение m всегда больше единицы.

Рис. 2.2. Принципиальная схема и цикл идеального теплового насоса:

1 - испаритель; 2 - компрессор; 3 - расширительная машина (детандер); 4 - конденсатор; 5 - электропривод.

Расчетные значения коэффициента преобразования теплоты m идеального обратного цикла Карно теплового насоса при температуре окружающей среды (низкопотенциального источника) T_L = Т_ос = 293 К (20 ⁰С) и различных температурах высокопотенциального источника T_Н приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1. Расчетные значения коэффициента преобразования теплоты обратного цикла Карно

ТH
m	7,5	6,9	5,9	4,8	4,65	4,35

Лучшей характеристикой теплового насоса является цикл Карно, а все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

С целью приближения к циклу Карно, а фактически - с целью создания практически полезного теплового насоса, необходимо стремиться к подводу теплоты при условиях близким к изотермическим. Для этого подбирают рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают теплоту при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла. Сжатие пара, как правило, требует сухого пара, что вызвано конструктивными особенностями большинства типов компрессоров.

2.2. Действительный коэффициент преобразования ТН.

Необратимость процессов, происходящих в теплонасосных установках с обратными циклами, приводит к существенному понижению коэффициента преобразования, экономия энергии при использовании тепловых насосов, естественно, снижается. Действительный коэффициент преобразования теплового насоса m_е определяется через действительный холодильный коэффициент обратного цикла e_е

m_е = e_е + 1.

Для предварительной оценки энергетических показателей теплового насоса Мартыновским В.С. /26/ предложено эмпирическое выражение

m_е = ,

где Т₀ и Т - температуры источника и приемника теплоты. ;

a - коэффициент, учитывающий суммарно все потери: потери цикла, потери в электродвигателе и потери от внешней необратимости при теплопередаче.

Для ориентировочных расчетов отопительных устройств с тепловым насосом при использовании турбокомпрессоров можно принимать следующие значения суммарного коэффициента потерь a в зависимости от производительности установки:

производительность 200…1000 кВт a = 0,45 - 0,55

производительность 1000…3000 кВт a = 0,55 - 0,60

производительность свыше 3000 кВт a = 0,60 - 0,65

Выражение для определения действительного коэффициента преобразования любого теплового насоса можно представить в виде:

m_е = m_к×h_D×h_э×h_i×h_м×h_эл + h_эл×(1 - ×h_i×h_м),

где m_к - коэффициент преобразования теплоты цикла Карно;

h_D - коэффициент, учитывающий внешнюю необратимость цикла;

h_э - коэффициент, учитывающий приближение эталонного цикла (без учета индикаторных, механических и электрических потерь) к необратимому процессу Карно;

h_i ,h_м – индикаторный и механический КПД компрессора;

h_эл – КПД электродвигателя.

Для крупных поршневых холодильных компрессоров после подстановки коэффициентов потерь /25/ выражение:

m_е = _{- +} + 0,9,

где Т^¢₀ - температура низкопотенциального источника, К;

Т_к - температура конденсации хладагента, К.

На рис. 2.3, выполненном на основе исследований Попеля О.С. /30/, представлено соотношение идеальных и действительных коэффициентов преобразования теплоты. Необходимо отметить, что графики действительных коэффициентов трансформации построены для поршневых машин с диаметром цилиндра около 150 мм. Значения поправочного коэффициента, учитывающего влияние размеров цилиндра компрессора, на который следует разделить значение m_е, полученное из графиков представлены в таблице 2.2 /26/.

Таблица 2.2. Значения поправочного коэффициента для коэффициента преобразования теплоты

Диаметр цилиндра, D,мм
Поправочный коэффициент	1,063	1,044	1,028	1,013	1.00	0,977	0,960	0,944	0,930	0,924

Анализ графиков показывает, что, например, при температуре испарения хладагента на уровне 0 °С и температуре конденсации около 60 °С коэффициент m реальной установки достигает 3, а идеальной - 6,5. С увеличением температуры источника низкопотенциальной теплоты или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент m возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.

Коэффициент преобразования теплоты зависит от следующих факторов:

- от разности температур источника низкого потенциала и потребителя высокотемпературной теплоты (чем она выше, тем ниже коэффициент преобразования);

- термодинамических свойств хладагента;

- особенностей термодинамического цикла;

- технического совершенства конструкции теплового насоса.

При проектировании теплонасосной установки очень важно знание действительного коэффициента преобразования, т.к. значительная ошибка в расчете расхода энергии, может привести к неверным выводам относительно рациональности теплонасосной системы теплоснабжения по сравнению с другими системами.

Рис. 2.3. Идеальный и действительный коэффициент

трансформации теплоты теплового насоса

Очевидно, что применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем и/или напольных систем водяного отопления (теплых полов), для которых температура конденсации хладагента может не превышать 35 - 40°С.