Тепловой насос и холодильный цикл - Heat pump and refrigeration cycle

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${displaystyle c =}$ ${displaystyle T}$ ${displaystyle partial S}$ ${displaystyle N}$ ${displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${displaystyle eta = -}$ ${displaystyle 1}$ ${displaystyle partial V}$ ${displaystyle V}$ ${displaystyle partial p}$ Тепловое расширение   ${displaystyle alpha =}$ ${displaystyle 1}$ ${displaystyle partial V}$ ${displaystyle V}$ ${displaystyle partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${displaystyle A (T, V) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила огня " Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Тепловой насос и холодильный цикл»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Июнь 2020 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Термодинамический циклы теплового насоса или же холодильные циклы концептуальные и математические модели за Тепловой насос, кондиционер и охлаждение системы. Тепловой насос - это механическая система, которая позволяет передавать высокая температура из одного места («источника») с более низкой температурой в другое («сток» или «теплоотвод») с более высокой температурой.^[1] 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.^[2] Тепло переносится из холодного места в теплое.

Термодинамические циклы

Согласно второй закон термодинамики тепло не может спонтанно перетекать из более холодного места в более горячее; работай требуется для этого.^[3] 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 Тепловой двигатель был описан математически с использованием Цикл Карно к Сади Карно в 1824 году. Идеальную систему охлаждения или теплового насоса можно рассматривать как идеальную Тепловой двигатель который работает в обратном цикле Карно.^[4]

Тепловой насос и холодильные циклы можно классифицировать как сжатие пара, поглощение пара, газовый цикл, или же Цикл Стирлинга типы.

Парокомпрессионный цикл

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.

Рисунок 1: Парокомпрессионное охлаждение

Для сравнения простая стилизованная схема теплового насоса. парокомпрессионное охлаждение цикл: 1)конденсатор, 2) расширительный клапан, 3) испаритель, 4) компрессор

В термодинамика цикла можно проанализировать на диаграмме^[5][6] как показано на рисунке 2. В этом цикле циркулирующий рабочая жидкость обычно называемый хладагент Такие как Фреон входит в компрессор как пар низкого давления и низкой температуры. Пар сжимается при постоянном энтропия и выходит из компрессора перегретый. Перегретый пар проходит через конденсатор который сначала охлаждает и удаляет перегрев, а затем конденсирует пар в жидкость, выделяя дополнительное тепло при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (также называемый дроссельной заслонкой), где его давление резко падает, вызывая мгновенное испарение и автоохлаждение, как правило, небольшой части жидкости.^[7]

Фигура 2:Диаграмма температура – ​​энтропия парокомпрессионного цикла.

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. Образовавшиеся пары хладагента возвращаются на вход компрессора для завершения термодинамического цикла.^[8]

Вышеприведенное обсуждение основано на идеальном парокомпрессионном холодильном цикле и не принимает во внимание реальные эффекты, такие как падение давления на трение в системе, незначительное термодинамическая необратимость во время сжатия пара хладагента, или неидеальный газ поведение (если есть).^[4]

Цикл абсорбции пара

В первые годы двадцатого века цикл абсорбции 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 его низкого качества. коэффициент производительности (примерно одна пятая от цикла сжатия пара). В настоящее время цикл поглощения пара используется только там, где тепло более доступно, чем электричество, например, в промышленных предприятиях. отходящее тепло, солнечная тепловая энергия к солнечные коллекторы, или же автономное охлаждение в прогулочные автомобили.

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 пар хладагента выделяется из крепкого раствора, который превращается в разбавленный раствор и возвращается в абсорбер с помощью жидкостного насоса. Жидкостному насосу требуется некоторая работа, 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 распространенные комбинации: аммиак (хладагент) и вода (абсорбент) и вода (хладагент) и бромид лития (абсорбент).

Системы абсорбционного охлаждения могут питаться от ископаемые энергии (т.е. каменный уголь, масло, натуральный газ и т. д.) или возобновляемая энергия (т.е. отходящее тепло восстановление, биомасса, солнечная энергия ).

Газовый цикл

Когда рабочая жидкость это газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазы, цикл охлаждения называется газовый цикл. Воздуха чаще всего это рабочая жидкость. Поскольку в газовом цикле не предусмотрена конденсация и испарение, компоненты, соответствующие конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, представляют собой горячий и холодный газ, переходящий в газ. теплообменники.

При заданных экстремальных температурах газовый цикл может быть менее эффективным, чем цикл сжатия пара, поскольку газовый цикл работает в обратном направлении. Цикл Брайтона вместо обратного Цикл 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 их более низкой эффективности и большего объема, воздушный цикл охладители не часто применяются в наземном холодильном оборудовании. В машина воздушного цикла однако очень часто встречается на газовая турбина -приведенный реактивные авиалайнеры поскольку сжатый воздух легко получить из компрессорных секций двигателей. Блоки охлаждения и вентиляции этих реактивных самолетов также служат для нагрева и повышения давления кабина самолета.

двигатель Стирлинга

В Цикл Стирлинга тепловой двигатель 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.

Обратный цикл Карно

В Цикл Карно является обратимым циклом, поэтому четыре процесса, которые его составляют, два изотермических и два изоэнтропических, также могут быть обращены вспять. Когда цикл Карно работает в обратном направлении, он называется обратный цикл 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 сумме Q_L. Затем хладагент изоэнтропически сжимается, и его температура повышается до температуры высокотемпературного источника T_ЧАС. Затем при этой высокой температуре хладагент изотермически отводит тепло в количестве Q_ЧАС. Также во время этой стадии 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.^[2]

Коэффициент производительности

Эффективность холодильника или теплового насоса определяется параметром, называемым коэффициент производительности (КС).

Уравнение:

${displaystyle {m {COP}} = {frac {Q} {W}}}$

куда

• ${displaystyle Q}$ полезный высокая температура поставляются или удаляются рассматриваемой системой.
• ${displaystyle W}$ это работай требуется рассматриваемой системой.

Подробный COP холодильника определяется следующим уравнением:

КС_р = (Требуемый выход) / (Требуемый ввод) = (Эффект охлаждения) / (Рабочий ввод) = Q_L/ Вт_{нетто, в}

КПД теплового насоса (иногда называемый коэффициентом усиления COA), определяемый следующим уравнением, где Q_ЧАС = Q_L + W_{нетто, в}:

КС_HP = (Требуемый выход) / (Требуемый ввод) = (Эффект нагрева) / (Потребляемая мощность) = Q_ЧАС/ Вт_{нетто, в} = 1 + (Q_L/ Вт_{нетто, в})

И КПД холодильника, и теплового насоса может быть больше единицы. Объединение этих двух уравнений приводит к:

КС_HP = COP_р + 1 для фиксированных значений Q_ЧАС и Q_L

Это означает, что COP_HP будет больше единицы, потому что COP_р будет положительное количество. 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, некоторые Q_ЧАС попадает в наружный воздух через трубопроводы, изоляцию и т. д., в результате чего COP_HP опускаться ниже единицы, когда температура наружного воздуха слишком низкая. Поэтому в системе отопления домов используется топливо.^[2]

Для холодильников и тепловых насосов Carnot COP может быть выражен через температуру:

КС_{R, Карно} = T_L/ (Т_ЧАС-T_L) = 1 / ((T_ЧАС/ Т_L) - 1)

КС_{HP, Карно} = T_ЧАС/ (Т_ЧАС-T_L) = 1 / (1 - (T_L/ Т_ЧАС))

Рекомендации

Примечания

• Оборачивается, Стивен (2006). Термодинамика: концепции и приложения. Издательство Кембриджского университета. п. 756. ISBN  0-521-85042-8.
• Динсер, Ибрагим (2003). Холодильные системы и приложения. Джон Уайли и сыновья. п. 598. ISBN  0-471-62351-2.
• Уитмен, Билл (2008). Техника охлаждения и кондиционирования воздуха. Дельмар.

внешняя ссылка

• «Основной цикл охлаждения»