Pompa ciepła i obieg chłodniczy

Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat praktycznych pomp ciepła, patrz Pompa ciepła .

Termodynamiczne cykle pomp ciepła lub cykle chłodnicze to modele koncepcyjne i matematyczne dla pomp ciepła , systemów klimatyzacyjnych i chłodniczych . Pompa ciepła jest układem mechanicznym, który umożliwia przekazywanie ciepła z jednego miejsca („źródła”) w niższej temperaturze do innego miejsca („uciekacz” lub „radiator”) w wyższej temperaturze. Tak więc pompa ciepła może być traktowana jako „grzejnik”, jeśli celem jest ogrzanie radiatora (jak w przypadku ogrzewania wnętrza domu w zimny dzień), lub „lodówka” lub „chłodziarka”, jeśli celem jest w celu schłodzenia źródła ciepła (jak podczas normalnej pracy zamrażarki). W obu przypadkach zasady działania są podobne. Ciepło jest przenoszone z miejsca zimnego do miejsca ciepłego.

Cykle termodynamiczne

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki ciepło nie może spontanicznie przepływać z miejsca zimniejszego do miejsca cieplejszego; aby to osiągnąć, potrzebna jest praca . Klimatyzator wymaga pracy, aby schłodzić przestrzeń mieszkalną, przenosząc ciepło z chłodzonego wnętrza (źródło ciepła) na zewnątrz (radiator). Podobnie lodówka przenosi ciepło z wnętrza zimnej lodówki (źródło ciepła) do cieplejszego powietrza o temperaturze pokojowej w kuchni (radiator). Zasada działania idealnego silnika cieplnego została opisana matematycznie za pomocą cyklu Carnota przez Sadi Carnota w 1824 r. Idealną lodówkę lub pompę ciepła można traktować jako idealny silnik cieplny działający w odwrotnym cyklu Carnota.

Cykle pompy ciepła i cykle chłodnicze można sklasyfikować jako kompresję pary , absorpcję pary , cykl gazowy lub cykl Stirlinga .

Cykl sprężania pary

Główny artykuł: Chłodzenie ze sprężaniem pary

Chłodzenie ze sprężaniem pary

Dla porównania prosty stylizowany schemat cyklu chłodzenia ze sprężaniem pary pompy ciepła : 1) skraplacz , 2) zawór rozprężny , 3) parownik , 4) sprężarka (zauważ, że ten schemat jest odwrócony w pionie i poziomie w porównaniu do poprzedniego)

Wykres temperatura-entropia cyklu sprężania pary.

Cykl sprężania pary jest używany w wielu urządzeniach chłodniczych, klimatyzacyjnych i innych zastosowaniach chłodniczych, a także w pompach ciepła do zastosowań grzewczych. Istnieją dwa wymienniki ciepła, jeden to skraplacz , który jest cieplejszy i oddaje ciepło, a drugi to parownik, który jest zimniejszy i przyjmuje ciepło. W przypadku zastosowań, które muszą działać zarówno w trybie grzania, jak i chłodzenia, do przełączania ról tych dwóch wymienników ciepła używany jest zawór zwrotny .

Na początku cyklu termodynamicznego czynnik chłodniczy wpływa do sprężarki w postaci pary o niskim ciśnieniu i niskiej temperaturze. Następnie zwiększa się ciśnienie i czynnik chłodniczy opuszcza jako przegrzany gaz o wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu. Ten gorący gaz pod ciśnieniem przechodzi następnie przez skraplacz , gdzie oddaje ciepło do otoczenia, schładzając się i całkowicie skraplając. Chłodniejsza ciecz pod wysokim ciśnieniem przechodzi następnie przez zawór rozprężny (zawór dławiący), który gwałtownie zmniejsza ciśnienie, powodując gwałtowny spadek temperatury. Zimna, niskociśnieniowa mieszanina cieczy i pary przechodzi następnie przez parownik, gdzie całkowicie odparowuje, pobierając ciepło z otoczenia, po czym wraca do sprężarki jako niskociśnieniowy gaz o niskiej temperaturze, aby ponownie rozpocząć cykl.

Niektóre prostsze zastosowania ze stałą temperaturą roboczą, takie jak domowa lodówka , mogą wykorzystywać sprężarkę o stałej prędkości i zawór rozprężny o stałej aperturze. Aplikacje, które muszą działać z wysokim współczynnikiem wydajności w bardzo zróżnicowanych warunkach, jak ma to miejsce w przypadku pomp ciepła , gdzie temperatury zewnętrzne i wewnętrzne zapotrzebowanie na ciepło różnią się znacznie w zależności od pory roku, zwykle wykorzystują sprężarkę z inwerterem o zmiennej prędkości i regulowany zawór rozprężny do sterowania ciśnienia cyklu dokładniej.

Powyższe omówienie opiera się na idealnym cyklu chłodzenia ze sprężaniem pary i nie uwzględnia rzeczywistych efektów, takich jak spadek ciśnienia tarcia w układzie, niewielka nieodwracalność termodynamiczna podczas sprężania oparów czynnika chłodniczego lub nieidealne zachowanie gazu ( Jeśli w ogóle).

Cykl absorpcji pary

Główny artykuł: Lodówka absorpcyjna

W pierwszych latach XX wieku popularny i powszechnie stosowany był obieg absorpcji pary z wykorzystaniem układów wodno-amoniakalnych, jednak po opracowaniu obiegu sprężania pary stracił on wiele na znaczeniu ze względu na niski współczynnik efektywności ( ok . piąta część cyklu sprężania pary). Obecnie cykl absorpcji pary jest stosowany tylko tam, gdzie ciepło jest łatwiej dostępne niż elektryczność, na przykład przemysłowe ciepło odpadowe , energia słoneczna z kolektorów słonecznych lub chłodzenie poza siecią w pojazdach rekreacyjnych .

Cykl absorpcji jest podobny do cyklu sprężania, ale zależy od ciśnienia parcjalnego pary czynnika chłodniczego. W układzie absorpcyjnym sprężarkę zastępuje absorber i generator. Absorber rozpuszcza czynnik chłodniczy w odpowiedniej cieczy (roztwór rozcieńczony), dzięki czemu roztwór rozcieńczony staje się roztworem mocnym. W generatorze, po dodaniu ciepła, temperatura wzrasta, a wraz z nią ciśnienie cząstkowe pary czynnika chłodniczego uwalnianego z mocnego roztworu. Jednak generator wymaga źródła ciepła, które zużywałoby energię, gdyby nie wykorzystano ciepła odpadowego. W lodówce absorpcyjnej stosuje się odpowiednią kombinację czynnika chłodniczego i absorbentu. Najczęstsze kombinacje to amoniak (czynnik chłodniczy) i woda (pochłaniacz) oraz woda (czynnik chłodniczy) i bromek litu (pochłaniacz).

Absorpcyjne układy chłodnicze mogą być zasilane spalaniem paliw kopalnych (np. węgiel , ropa naftowa , gaz ziemny itp.) lub energią odnawialną (np. odzysk ciepła odpadowego , spalanie biomasy lub energia słoneczna ).

Cykl gazowy

Gdy płynem roboczym jest gaz, który jest sprężany i rozprężany, ale nie zmienia fazy, cykl chłodzenia nazywany jest cyklem gazowym . Tą cieczą roboczą najczęściej jest powietrze . Ponieważ w cyklu gazowym nie jest zamierzone skraplanie i parowanie, elementami odpowiadającymi skraplaczowi i parownikowi w cyklu sprężania pary są wymienniki ciepła typu gorący i zimny gaz-gaz .

Dla danych ekstremalnych temperatur cykl gazowy może być mniej wydajny niż cykl sprężania pary, ponieważ cykl gazowy działa w odwrotnym cyklu Braytona zamiast w odwrotnym cyklu Rankine'a . Jako taki, płyn roboczy nigdy nie odbiera ani nie odrzuca ciepła w stałej temperaturze. W obiegu gazowym efekt chłodzenia jest równy iloczynowi ciepła właściwego gazu i wzrostu temperatury gazu po stronie niskiej temperatury. Dlatego przy tym samym obciążeniu chłodniczym maszyny z cyklem chłodzenia gazem wymagają większego masowego natężenia przepływu, co z kolei zwiększa ich rozmiar.

Ze względu na niższą wydajność i większą objętość chłodnice z obiegiem powietrza nie są często stosowane w chłodnictwie naziemnym. Maszyna obiegu powietrza jest jednak bardzo powszechna w samolotach odrzutowych napędzanych turbiną gazową , ponieważ sprężone powietrze jest łatwo dostępne z sekcji sprężarek silnika. Te jednostki chłodzące i wentylacyjne samolotów odrzutowych służą również do ogrzewania i zwiększania ciśnienia w kabinie samolotu .

silnik Stirlinga

Główny artykuł: silnik Stirlinga

Silnik cieplny pracujący w cyklu Stirlinga może być napędzany w odwrotnym kierunku, wykorzystując wkład energii mechanicznej do napędzania wymiany ciepła w odwrotnym kierunku (np. pompa ciepła lub lodówka). Istnieje kilka konfiguracji projektowych dla takich urządzeń, które można zbudować. Kilka takich konfiguracji wymaga uszczelnień obrotowych lub ślizgowych, które mogą wprowadzać trudne kompromisy między stratami tarcia a wyciekiem czynnika chłodniczego.

Odwrócony cykl Carnota

Cykl Carnota jest cyklem odwracalnym, więc cztery procesy, które się na niego składają, dwa izotermiczne i dwa izentropowe, można również odwrócić. Kiedy cykl Carnota przebiega w odwrotnej kolejności, nazywa się to odwróconym cyklem Carnota . Lodówka lub pompa ciepła działająca zgodnie z odwróconym cyklem Carnota nazywana jest odpowiednio lodówką Carnota lub pompą ciepła Carnota. W pierwszej fazie tego obiegu czynnik chłodniczy pobiera ciepło izotermicznie ze źródła niskotemperaturowego T _L , w ilości Q _L . Następnie czynnik chłodniczy jest TH _sprężany izentropowo (adiabatycznie, bez wymiany ciepła) i jego temperatura wzrasta do temperatury źródła wysokotemperaturowego . Wówczas w tak wysokiej temperaturze czynnik chłodniczy izotermicznie oddaje ciepło w ilości Q _H < 0 (ujemnej zgodnie z konwencją znakowania ciepła traconego przez układ). Również na tym etapie czynnik chłodniczy zmienia się z pary nasyconej w nasyconą ciecz w skraplaczu. Wreszcie czynnik chłodniczy rozpręża się izentropowo, aż jego temperatura spadnie do temperatury źródła niskotemperaturowego, T _Ł .

Współczynnik wydajności

Główny artykuł: Współczynnik wydajności

O zaletach lodówki lub pompy ciepła decyduje parametr zwany współczynnikiem wydajności (COP). Równanie to:

${\ Displaystyle {\ rm {COP}} = {\ Frac {| Q |} {W_ {netto, w}}}}$

Gdzie

• ${\ displaystyle Q} to$ ciepło użytkowe oddawane lub pobierane przez rozważany system.
• ${\ Displaystyle W_ {netto, w}}$ to praca netto wykonana w rozważanym systemie w jednym cyklu.

Szczegółowy współczynnik COP lodówki jest określony następującym równaniem:

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {R}}} = {\ Frac {\ tekst {Pożądana wydajność}}} {\ tekst { Wymagane dane wejściowe}}}={\frac {\text{Efekt chłodzenia}}{\text{Wkład pracy}}}={\frac {Q_{L}}{W_{\text{net,in}}}}}$

Współczynnik COP pompy ciepła (czasami określany jako współczynnik wzmocnienia COA) jest określony następującymi równaniami, gdzie pierwsza zasada termodynamiki : ${\ Displaystyle W_ {netto, w} + Q_ {L} + Q_ {H} = \ Delta _ {cykl} U = 0}$ i ${\ displaystyle | Q_ {H}|=-Q_ {H}}$ został użyty w jednym z ostatnich kroków:

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {HP}}} = {\ Frac {\ tekst {Pożądany Wyjście}}{\text{Wymagane dane wejściowe}}}={\frac {\text{Efekt ogrzewania}}{\text{Wkład pracy}}}={\frac {|Q_{H}|}{W_{\text {netto,w}}}}={\frac {W_{netto,in}+Q_{L}}{W_{\text{netto,in}}}}=1+{\frac {Q_{L}} {W_{\text{netto,w}}}}}$

Zarówno COP lodówki, jak i pompy ciepła może być większy niż jeden. Połączenie tych dwóch równań daje:

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {HP}}} = 1 + {\ rm {COP_ {R}}}}$ dla ustalonych wartości Q _H i Q _L .

Oznacza to, że COP _HP będzie większy niż jeden, ponieważ COP _R będzie wielkością dodatnią. W najgorszym przypadku pompa ciepła dostarczy tyle energii, ile zużyje, dzięki czemu będzie działać jako grzejnik oporowy. Jednak w rzeczywistości, podobnie jak w przypadku ogrzewania domu, część Q _H jest tracona na zewnątrz przez rury, izolację itp., co powoduje spadek COP _HP poniżej jedności, gdy temperatura powietrza na zewnątrz jest zbyt niska. Dlatego system służący do ogrzewania domów wykorzystuje paliwo.

W przypadku lodówek Carnot i pomp ciepła COP można wyrazić w temperaturach:

$\ Displaystyle {\ rm {COP_ {R, Carnot}}} = {\ Frac { T_ {L}}{T_{H}-T_{L}}}={\frac {1}{(T_{H}/T_{L})-1}}}$

${\ Displaystyle {\ rm {COP_ {HP, Carnot}}} = {\ Frac {T_ {H}} {T_ {H} -T_ {L }}}={\frac {1}{1-(T_{L}/T_{H})}}}$

To są górne granice COP dowolnego systemu działającego między T _L a T _H .

Notatki

•   Włącza, Stephen (2006). Termodynamika: koncepcje i zastosowania . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. P. 756. ISBN 0-521-85042-8 .
•   Dincer, Ibrahim (2003). Systemy i zastosowania chłodnicze . John Wiley i synowie. P. 598. ISBN 0-471-62351-2 .
• Whitman, Bill (2008). Technika Chłodnictwa i Klimatyzacji . Delmar.

Linki zewnętrzne

• „Podstawowy cykl chłodzenia”