6.3 Цикл теплового насоса

Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одних тел к другим, имеющим разные температуры, называются термотрансформаторами. Термотрансформаторы, служащие для пере­дачи теплоты от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой, называются повышающими. К ним отно­сятся тепловые насосы, которые осуществляют передачу теплоты из окружающей среды к объекту с более высокой температурой. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса могут служить внешняя атмосфера, вода водоемов или термальных вод, теплота земли (геотермальные источники), а также охлаж­дающая вода конденсаторов турбин или компрессоров, выпуск­ные газы двигателей внутреннего сгорания, воздух, удаляемый из помещений фермы, и т.д. Теплоприемником может быть система отопления помещений или различные технологические процессы.

Т епловой насос – это холодильная установка, работающая в иных пределах температур. Так, если для холодильных установок теплоприемник – окружающая среда, то для теплового насоса она служит источником теплоты. Поэтому цикл теплового насоса в принци­пе не отличается от цикла холодильных машин.

Рис. 6.5 – Схема теплового насоса

1– компрессор, 2 – насос, 3 – теплоприемник, 4 – конденсатор, 5 – дроссель­ный клапан, 6 – испаритель

Схема теплового насоса приведена на рисунке 6.5. В испарителе 6 холодильный агент испаряется за счет теплоты, подведенной из окружающей среды, например из водоема, а затем поступает в компрессор 1. При испарении хладоагент отбирает количество теплоты q_2. После сжатия в компрессоре хладоагент подается в змеевик конденсатора 4. Змеевик омывается водой, циркулирующей через обогреваемый объект (к примеру, в системе отопления поме­щения).

Теплоприемнику 3, таким образом, отдается кроме теплоты q₂, по своей сути даровой, также теплота, эквивалентная затраченной работе компрессора l_ц. Затем конденсат через дроссельный клапан 5 поступает в змеевик испарителя 6.

Эффективность теплового насоса оценивают коэффициентом преобразования, представляющим собой отношение количества теп­лоты q₁ = q₂ + l_ц, сообщенной нагреваемому объекту, к затраченной работе:

, (6.13)

где – холодильный коэффициент.

Откуда следует, что коэффициент преобразования ψ больше единицы. Его значение колеблется в пределах 3...7, а при исполь­зовании высокотемпературных источников (к примеру, выпускные газы тепловых двигателей) еще выше. Это указывает на целесооб­разность применения тепловых насосов, которые позволяют повы­сить эффективность использования возобновляемых и вторичных энергетических ресурсов.

6.4 Эксергия. Эксергический анализ

Основываясь на втором начале термодинамики, установим количествен­ное соотношение между работой, кото­рая могла бы быть совершена системой при данных внешних условиях в случае протекания в ней равновесных процес­сов, и действительной работой, произво­димой в тех же условиях, при неравно­весных процессах.

Рассмотрим изолированную систему, состоящую из горячего источника с тем­пературой Т₁, холодного источника (ок­ружающей среды) с температурой Т₀ и рабочего тела, совершающего цикл.

Работоспособностью (или эксергией) теплоты Q₁ отбирае­мой от горячего источника с температу­рой Т₁, называется максимальная полез­ная работа ', которая может быть полу­чена за счет этой теплоты при условии, что холодным источником является окру­жающая среда с температурой Т₀.

Из предыдущего ясно, что макси­мальная полезная работа L_макс теплоты Q₁ представляет собой работу равновес­ного цикла Карно, осуществляемого в диапазоне температур Т₁ – Т₀:

L_макс = η_tQ₁, (6.14)

где η_t = l – Т₀/ Т₁.

Таким образом, эксергия теплоты Q₁

L_макс = Q₁( l – Т₀/Т₁), (6.15)

т. е. работоспособность теплоты тем больше, чем меньше отношение Т₀/Т₁. При Т₁ = Т₀ она равна нулю.

Полезную работу, полученную за счет теплоты Q₁ горячего источника, можно представить в виде L₁ = Q₁ – Q₂, где Q₂ – теплота, отдаваемая в цикле холодному источнику (окружающей сре­де) с температурой Т₀.

Если через ∆S_X0Л обозначить прира­щение энтропии холодного источника, то Q₂ = T₀ ·∆S_X0Л, тогда

L = Q₁ – T₀ ·∆S_X0Л. (6.16)

Если бы в рассматриваемой изолиро­ванной системе протекали только равно­весные процессы, то энтропия системы оставалась бы неизменной, а увеличение энтропии холодного источника ∆S_X0Л рав­нялось бы уменьшению энтропии горяче­го ∆S_гор. В этом случае за счет теплоты Q₁ можно было бы получить максималь­ную полезную работу

L_макс = Q_l – T₀ · ∆S_гор, (6.17)

что следует из уравнения (6.16).

Действительное количество работы, произведенной в этих же условиях, но при неравновесных процессах, определя­ется уравнением (6.16).

Таким образом, потерю работоспо­собности теплоты можно записать как ∆L = L_макс – L = T₀ (∆S_X0Л – ∆S_гор), но разность (∆S_X0Л – ∆S_гор) представляет собой изменение энтропии рассматривае­мой изолированной системы, поэтому

∆L = T₀ ∆S_сист. (6.18)

Величина ∆L определяет потерю работы, обусловленную рассеиванием энергии вследствие неравновесности про­текающих в системе процессов. Чем больше неравновесность процессов, ме­рой которой является увеличение энтро­пии изолированной системы ∆S_сист, тем меньше производимая системой работа.

Уравнение (6.18) называют уравне­нием Гюи – Стодолы по имени француз­ского физика М. Гюи, получившего это уравнение в 1889 г., и словацкого тепло­техника А. Стодолы, впервые применив­шего это уравнение.