Библиографическое описание:

Толстый О. В., Тихонова О. Б., Русляков Д. В. Оценка термодинамической эффективности цикла теплового насоса // Молодой ученый. — 2016. — №20. — С. 207-210.



Из всех типов тепловых насосов (ТН) наибольшее распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы. В связи с этим становится необходимым использовать все возможные резервы их совершенствования.

Принцип работы теплового насоса заключен в следующем — в результате подвода низко потенциальной теплоты в испаритель теплового насоса (рис. 1) происходит кипение рабочего тела, пары которого сжимаются в компрессоре с повышением энтальпии и температуры за счет работы сжатия. В конденсаторе теплота охлаждения паров и фазового перехода рабочего тела передается технологическому теплоносителю (приемнику теплоты).

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (а)

Цикл парокомпрессионного ТН в Т, s — диаграмме (б): К — конденсатор; И — испаритель; КМ – компрессор; Д – дроссель; ПД – приводной двигатель; – отводимая и подводимая теплоты в конденсаторе и испарителе ТН соответственно.

На рисунке 1 Б изображен круговой процесс идеальной парокомпрессионной теплонасосной установки в T, s — диаграмме, на которой (7–2) изоэнтропийное сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; (2–3) изобарная конденсация рабочего тела; (3–4) изоэнтропийное расширение в детандере до давления в испарителе; (4–1) изобарно-изотермическое кипение (испарение) рабочего тела.

Существуют две группы параметров, характеризующих качество и эффективность использования тепловых насосов: технические, которые отражают техническое качество ТН и эффективность рабочих процессов в его элементах, и параметры, которые отражают термодинамическую и экономическую эффективность использования ТН в заданных условиях.

К техническим параметрам относятся: использование определенного рабочего вещества, потери на дросселирование, адиабатный КПД и отношение давлений в цикле ТН, коэффициент совершенства (полный КПД) ТН и др. Эти параметры за последние 20–25 лет стабилизировались и примерно одинаковы для ТН различных фирм. Основным термодинамическим и экономическим параметром является действительный коэффициент преобразования энергии в тепловом насосе . Он в основном зависит от разности температур холодного и горячего теплоносителей и меньше — от средней разности температур при теплопередаче в испарителе и конденсаторе ТН, т. е. от температурных условий, заданных при проектировании или сложившихся при эксплуатации ТН.

В компрессионных ТНУ имеют место следующие необратимости:

− внутренние — процесс сжатия в компрессоре и процесс дросселирования;

− внешние необратимости, возникающие в результате теплообмена при конечной разности температур в конденсаторе и в испарителе.

Термодинамическую эффективность цикла можно выразить следующей формулой:

(1)

гдекоэффициент преобразования действительного (реального) и идеального теплового насоса соответственно.

Действительный цикл можно представить как результат, полученный после очередного изменения, идеального обратимого цикла Карно (рисунок 2). На рисунке 2, цикл 1 представлен идеальный обратимый цикл Карно для данных постоянных температур источников тепла . Рисунке 2, цикл 2 представляет внешне необратимый цикл Карно, когда передача тепла между рабочим телом и источником тепла осуществляется при конечной разности температур и степень термодинамического совершенства в этом случае < 1. На рисунке 2, цикл 3 показано дальнейшее изменение цикла при наличии внутренней необратимости процесса дросселирования. При этом . Схема рисунка 2, цикл 4 учитывает действительный процесс в конденсаторе, где пар перегрет и . Наконец, мы переходим к действительному циклу, в котором имеется также необратимость процесса в компрессоре (рисунок 2, цикл 5).

Для этого цикла рекомендуется:

(2)

Степень совершенства ТНУ определяется:

(3)

где — степень совершенства необратимости цикла Карно; коэффициент, учитывающий приближение эталонного цикла к необратимому циклу Карно; коэффициент, учитывающий степень обратимости процесса сжатия в компрессоре; коэффициент, учитывающий приближение рабочего цикла к обратимому циклу Карно – степень совершенства теплового насоса; — индикаторный КПД для крупных холодильных поршневых компрессоров, принимается 0,7–0,8; ,механические и электрические КПД установки. Т,верхняя и нижняя температура внешних источников тепла, К.

Рис. 2. Переход от цикла Карно к действительному: 1 — цикл Карно; 2 — необратимый цикл; 3 – без перегрева; 4 — с перегревом; 5 — реальный цикл

Выясним теперь влияние изменения Степень термодинамического совершенства для цикла ТНУ можно выразить, но формуле 2 выше. Подставив соответствующие значения , получим:

(4)

Проанализируем влияние изменения (температуры и температурные напоры в конденсаторе и испарителе соответственно) на степень термодинамического совершенства в случае, когда остальные величины остаются постоянными:

(5)

Из уравнения 5 видно, что уменьшается с увеличением

Аналогично:

(6)

При сопоставлении уравнений 5 и 6 видно, что изменение в большей степени влияет, на , чем изменение . Рассмотрим теперь влияние па степень совершенства цикла:

(7)

Анализа уравнения 7 показывает, что при увеличении степень совершенства термодинамического цикла уменьшается.

Наконец рассмотрим влияние изменения на:

(8)

Как видно из уравнения 8 увеличивается с повышением . Таким образом, при прочих равных условиях, степень термодинамического совершенства уменьшается с увеличением и . Темп уменьшения возрастает с повышением . И, наконец, с повышением степень обратимости цикла увеличивается.

Таким образом, очевидно, что для повышения эффективности теплового насоса необходимо проводить, в том числе конструктивные изменения теплового насоса, которые в свою очередь повысит энергию энергетическую эффективность машин в целом.

Литература:

  1. Калнинь И. М., Савицкий И. К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра // Холодильная техника. 2000. Х. 2. 10. С. 2–6.
  2. Ильин А. К., Дуванов С. А. Характеристики свойства современных тепловых насосов // Проблемы совершенствования топливно-энергетического 145 комплекса: Сб. науч. тр. Вып. 3. Материалы Междунар. Науч. -прак. конф. — Саратов: Из-во Сара. Ун-та, 2004. 160 с.
  3. Бриганти А. Тепловые насосы в жилых помещениях // АВОК. 2001. № 5. С. 24–28.
  4. Седлов А. С., Проценко В. П., Зройчиков Н. А., Боряков Д. В., Галас И. В., Филиппов Д. Н., Комов А. А. Анализ эффективности использования парокомпрессионных теплонасосных установок в теплофикационных системах // Энергосбережение и водоподготовка. 20 Агабабов B. C., Горягин А. В., Джураева Е.В. Об использовании теплонасосной установки для подогрева газа перед детандером // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 5(43). С. 37–38.
  5. Русляков Д. М., Тихонова О. Б., Першин В. А., Давыдов Я. С. К вопросу эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2014. № 8 (91).
Основные термины (генерируются автоматически): теплового насоса, степень термодинамического совершенства, степень совершенства, разности температур, цикла Карно, цикл Карно, рабочего тела, конечной разности температур, цикла теплового насоса, степень совершенства цикла, совершенства необратимости цикла, совершенства термодинамического цикла, совершенства теплового насоса, тепловых насосов, необратимый цикл Карно, циклу Карно, обратимого цикла Карно, испаритель теплового насоса, Степень термодинамического совершенства, степень обратимости цикла.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос