Тепловой насос
Частным случаем холодильной машины являются бытовые холодильники, промышленные холодильные камеры и тепловые насосы.
Назначение теплового насоса – взять теплоту от холодного тела (QХ), например, от грунтовой воды большого холодного водоема, и передать ее нагретым телам (QН), причем, в увеличенном за счет работы насоса количестве (А).
В 1852 г. Кельвин показал, что холодильную машину можно использовать для целей отопления помещений. Он назвал этот метод отопления динамическим, а устройство назвал умножителем тепла.
В настоящее время сферы применения тепловых насосов разнообразны. Эти насосы используют для отопления городов, взлетно-посадочных полос, отдельных зданий; в различных технологических процессах при сушке зерна, древесины, хлопка, и т.д.; при производстве промышленных, корабельных, железнодорожных, бытовых холодильников и кондиционеров.
Цикл теплового насоса
Тепловой насос работает по обратному циклу. Рабочее вещество – хладоагент – находится внутри замкнутой металлической трубки, имеющей две секции в форме змеевиков. Одна секция змеевика - испарителя (И) расположена в холодильнике (рис. 5), который заполнен холодной водой, другая секция змеевика – конденсатора (К) расположена в нагревателе (рис. 5), который заполнен теплой водой.
Двигатель перекачивает пары хладоагента из змеевика, находящегося в холодидьнике, в змеевик, находящийся в нагревателе. Хладоагент, испаряясь, сильно охлаждается и отбирает тепло от холодной воды в холодильнике.
В нагревателе наоборот: пар хладоагента в змеевике уплотняется и конденсируется, выделяя тепло. В результате температура воды в нагревателе увеличивается. Отработанный пар хладоагента в трубках конденсируется и возвращается в испарительную часть системы.
Если
тепловой насос используется в целях
отопления, то эффективность его работы
можно оценивать отопительным
коэффициентом
,
а именно, по количеству теплоты выделенной
в нагревателе при затрате 1 Дж работы:
(5).
Если
же тепловой насос используется в целях
получения низких температур (например,
в холодильных камерах), то в этом случае
эффективность его работы оценивается
холодильным
коэффициентом
:
(6).
Холодильный коэффициент показывает, сколько тепла отнимается от холодильной камеры при затрате 1 Дж работы.
Исходя из определения коэффициента полезного действия цикла (4), можно показать, что
(7),
(8).
Таким
образом, можно сказать, что всегда
>1,
а
может быть > 1 и < 1, но всегда > 0.
Современные тепловые насосы имеют максимальный отопительный коэффициент 3-5. Это означает, что на один затраченный кВт электроэнергии получается в эквиваленте 3-5 кВт тепла.
По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт - вода», «вода - вода», «воздух - вода», «грунт - воздух», «вода - воздух», «воздух - воздух». Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии зависит от климатических условий. В работе изучается тепловой насос типа «вода - вода».