Войти
Термодинамические циклы теплового насоса или циклы охлаждения - это концептуальные и математические модели для систем теплового насоса, кондиционирования воздуха и холодильных систем. Тепловой насос - это механическая система, которая позволяет передавать тепло из одного места («источника») с более низкой температурой в другое место («сток» или «радиатор») с более высокой температура. Таким образом, тепловой насос можно рассматривать как «обогреватель», если цель состоит в том, чтобы нагреть радиатор (например, при обогреве дома в холодный день), или как «холодильник» или «охладитель», если цель состоит в для охлаждения источника тепла (как при нормальной работе морозильника). В любом случае принципы работы близки. Тепло переносится из холодного места в теплое.
Согласно второму закону термодинамики тепло не может самопроизвольно течь из более холодного места в более горячее; работа требуется для этого. Кондиционер требует работы, чтобы охладить жилое пространство, перемещая тепло из более прохладного помещения (источник тепла) в более теплое снаружи (радиатор). Точно так же холодильник перемещает тепло из холодного холодильника (источника тепла) в более теплый воздух комнатной температуры на кухне (радиатор). Принцип работы идеального теплового двигателя был математически описан с помощью цикла Карно Сади Карно в 1824 году. Идеальную систему охлаждения или теплового насоса можно представить как идеальный тепловой двигатель, работающий в обратном цикле Карно.
Циклы теплового насоса и охлаждения можно разделить на типы сжатия пара, абсорбции пара, газового цикла или цикла Стирлинга.
Цикл сжатия пара используется в большинстве бытовых холодильников, а также в легких коммерческих, коммерческих и промышленных холодильных системах. На рисунке 1 представлена принципиальная схема компонентов типичной парокомпрессионной холодильной системы.
Рис. 1. Парокомпрессионное охлаждение 
Для сравнения простая стилизованная диаграмма цикла парокомпрессионного охлаждения теплового насоса : 1) конденсатор, 2) расширительный клапан, 3) испаритель, 4) компрессор термодинамика цикла может быть проанализирована на диаграмме, показанной на рисунке 2. В В этом цикле циркулирующая рабочая жидкость, обычно называемая хладагентом, например фреон, поступает в компрессор в виде пара низкого давления и низкой температуры. Пар сжимается с постоянной энтропией и выходит из компрессора перегретым. Перегретый пар проходит через конденсатор , который сначала охлаждает и устраняет перегрев, а затем конденсирует пар в жидкость, выделяя дополнительное тепло при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (также называемый дроссельным клапаном), где его давление резко падает, вызывая мгновенное испарение и автоохлаждение, как правило, небольшой части жидкости..
Рис. 2: Диаграмма температура – энтропия цикла сжатия пара. В результате получается смесь жидкости и пара при более низких температуре и давлении. Затем холодная парожидкостная смесь проходит через змеевик или трубы испарителя и полностью испаряется за счет охлаждения теплого воздуха (из охлаждаемого пространства), продуваемого вентилятором через змеевик или трубы испарителя. Образующийся пар хладагента возвращается на вход компрессора для завершения термодинамического цикла.
Вышеупомянутое обсуждение основано на идеальном цикле охлаждения с компрессией пара и не принимает во внимание реальные эффекты, такие как падение давления на трение в система, небольшая термодинамическая необратимость во время сжатия пара хладагента или неидеальный газ поведение (если есть).
В первые годы двадцатого века цикл поглощения пара с использованием водно-аммиачных систем был популярен и широко использовался, но после разработки цикла сжатия пара он потерял большую часть своего значения из-за низкого коэффициента . производительности (около одной пятой от цикла сжатия пара). В настоящее время цикл поглощения пара используется только там, где тепло более доступно, чем электричество, например, в промышленных отходах тепла, солнечной тепловой энергии с помощью солнечных коллекторов или автономное охлаждение в транспортных средствах для отдыха.
Цикл абсорбции аналогичен циклу сжатия, за исключением метода повышения давления пара хладагента. В абсорбционной системе компрессор заменен абсорбером и генератором. Абсорбер растворяет хладагент в подходящей жидкости (разбавленном растворе), и поэтому разбавленный раствор становится крепким раствором. Затем жидкостной насос переместит крепкий раствор из абсорбера в генератор, где при добавлении тепла температура и давление увеличиваются. Затем пары хладагента высвобождаются из крепкого раствора, который превращается в разбавленный раствор и возвращается в абсорбер с помощью жидкостного насоса. Жидкостный насос требует некоторой работы, но для данного количества хладагента она намного меньше, чем требуется компрессору в цикле сжатия пара. Однако для генератора требуется источник тепла, который потреблял бы тепловую энергию, если бы не использовалось отработанное тепло. В абсорбционном холодильнике используется подходящая комбинация хладагента и абсорбента. Наиболее распространенными комбинациями являются аммиак (хладагент) и вода (абсорбент), а также вода (хладагент) и бромид лития (абсорбент).
Системы абсорбционного охлаждения могут работать на ископаемых источниках энергии (например, уголь, нефть, природный газ и т. Д.) или возобновляемые источники энергии (т.е. утилизация отработанного тепла, биомасса, солнечная энергия ).
Когда рабочая жидкость представляет собой газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазы, цикл охлаждения называется газовым циклом. Этим рабочим телом чаще всего является воздух. Поскольку в газовом цикле не предусмотрены конденсация и испарение, компоненты, соответствующие конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, представляют собой теплообменники горячего и холодного газа .
Для заданных экстремальных температур газ цикл может быть менее эффективным, чем цикл сжатия пара, поскольку газовый цикл работает по обратному циклу Брайтона вместо обратного цикла Ренкина. Таким образом, рабочая жидкость никогда не получает и не отводит тепло при постоянной температуре. В газовом цикле охлаждающий эффект равен произведению удельной теплоемкости газа и повышения температуры газа на стороне низких температур. Следовательно, при одинаковой охлаждающей нагрузке газовым холодильным машинам требуется больший массовый расход, что, в свою очередь, увеличивает их размер.
Из-за более низкой эффективности и большего размера охладители с воздушным циклом не часто применяются в наземном холодильном оборудовании. Однако машина с воздушным циклом очень распространена на газотурбинных авиалайнерах реактивных авиалайнерах, поскольку сжатый воздух легко доступен из компрессорных секций двигателей. Блоки охлаждения и вентиляции этих реактивных самолетов также служат для обогрева и создания давления в кабине самолета.
. Тепловой двигатель цикла Стирлинга может работать в обратном направлении, используя ввод механической энергии для передачи тепла в обратном направлении (например, тепловой насос или холодильник). Существует несколько вариантов конструкции таких устройств, которые можно построить. Для некоторых таких установок требуются вращающиеся или скользящие уплотнения, которые могут затруднить компромисс между потерями на трение и утечкой хладагента.
Цикл Карно является обратимым циклом, поэтому четыре процесса, которые его составляют, два изотермических и два изоэнтропических, также могут быть обращены. Когда цикл Карно работает в обратном направлении, он называется обратным циклом Карно. Холодильник или тепловой насос, который действует по обратному циклу Карно, называется соответственно холодильником Карно или тепловым насосом Карно. На первой стадии этого цикла хладагент изотермически поглощает тепло от низкотемпературного источника, T L, в количестве Q L. Затем хладагент изоэнтропически сжимается, и его температура повышается до температуры высокотемпературного источника T H. Затем при этой высокой температуре хладагент изотермически отводит тепло в количестве Q H. Также на этом этапе хладагент переходит из насыщенного пара в насыщенную жидкость в конденсаторе. Наконец, хладагент изоэнтропически расширяется до тех пор, пока его температура не упадет до температуры низкотемпературного источника, T L.
Эффективность холодильника или теплового насоса определяется параметром, называемым коэффициент полезного действия (COP).
Уравнение:
где
- полезное тепло, подаваемое или отводимое рассматриваемой системой.
- работа, требуемого рассматриваемой системой.Подробное значение COP холодильника определяется следующим уравнением:
COP теплового насоса (иногда называемый коэффициентом усиления COA), определяемый следующим уравнением, где Q H = Q L + W нетто, в :
И COP холодильника, и теплового насоса может быть больше единицы. Объединение этих двух уравнений приводит к:
Это означает, что COP HP будет больше, чем один, потому что COP R будет положительной величиной. В худшем случае тепловой насос будет поставлять столько энергии, сколько потребляет, заставляя его действовать как резистивный нагреватель. Однако в действительности, как и при домашнем отоплении, часть Q H теряется в наружный воздух через трубопроводы, изоляцию и т. Д., В результате чего COP HP падает ниже единицы, когда температура наружного воздуха слишком низкая. Следовательно, система, используемая для обогрева домов, использует топливо.
Для холодильников и тепловых насосов Carnot COP может быть выражен в виде температур:
