Холодильная машина и тепловой насос. Схемы, циклы и расчёт

В принципе холодильная установка работает так же, как тепловой насос. Теплонасос используется для обогрева помещения за счёт поглощения тепла из холодной области (окружающей среды), холодильная машина поглощает тепло из охлаждаемой комнаты и отдаёт наружу. Познакомьтесь со схемой, термоциклом, расчётом к.п.д. и принципом работы термонасоса и чиллера. А что такое чиллер?

Термодинамический цикл теплового насоса и холодильной машины

Под тепловым насосом понимается теплодвигатель, работающий в обратном направлении. При этом тепло передаётся от холодного тела к тёплому, в отличие от естественного направления теплового потока. Кругооборот идёт в направлении, противоположном тепловому двигателю, то есть влево. Поэтому говорят о левостороннем круговом обороте.

Идеальный циклический тепловой насос. График в P-V и T-S координатах

В насосе происходит повторение со следующими четырьмя изменениями статуса:

1. Рабочая среда с температуркой T₁ расширяется изотермически, поглощая тепло из окружающей среды (участок b-c).
2. Рабочий агент сжимается адиабатически и нагревается до температуры T₂ (участок c-d).
3. Рабочая среда излучает тепло и дополнительно сжимается изотермически (участок d-a).
4. Рабочий агент расширяется адиабатически. Охлаждается до начальной температурки T₁ (участок a-b).

Изменения в состоянии соответствуют изменениям цикла Карно в противоположном направлении. Идеальную установку, работающую по теории Карно, назвали обратимой тепловой машиной.

Эффективность работы тепл. насоса характеризуется коэффициентом полезного действия: η_{тепл.насоса} = Q₁/A= Q₁/Q₁−Q₂, где Q₁ – полученная теплота, Q₂ – отданная теплота, A – затраченная электрическим или внутреннего сгорания двигателем мехработа (для управления тепл. насосом). Коэффициент полезного действия больше 1.

К.п.д. тепл. насоса – обратная величина к.п.д. охлаждающей машины: η_{тепл.насоса} = Q1/A=-Q1/-A=1/η_{холод.маш.} К.п.д. насоса выше тогда, когда отводится больше теплоты Q₂ от окружения.

Если сравнить тепловую помпу с электронагревателем, то придём к выводу: теплопомпа эффективнее, так как на нагрев объёмов используется не только электроэнергия, но и теплота от окружающей сферы. Это определяет в будущем широкое применение.

Согласно 1 началу термодинамики объём внутри помещения имеет температуру T₁ и теплоэнергию Q₁=Q₂+A. Идеальный к.п.д. насосного устройства аналогичен идеальному к.п.д. теплодвигателя Карно и не зависит от рабочего агента. Коэффициент полезного действия вычисляют по разности температур T₁-T₂ по такой формуле:

Термодинамические аспекты

Термодинамика циркуляции регулируется законами теплоравновесия, сохранения и обмена массы и энергии. Последний объясняет последствия необратимости в определенных чередованиях. При учёте этих последствий необратимости определяется свойство, называемое энтропией. Необратим адиабатический (т.е. без передачи тепла) процесс, не имея постоянную энтропию.

Идеальный компрессор сжимает без потерь на трение или тепловую энергию. Фактический компрессор имеет механическое трение и обменивается теплом с окружением. Сжатие, таким образом, сопровождается увеличением энтропии.

Раунд сжатия пара связан с идеальным циклом Карно. Четыре процесса Карно: изоэнтропное сжатие, постоянная температура конденсации T₂, изоэнтропное расширение, постоянная температура испарения T₁.

Коэффициент полезного действия для этого идеализированного цикла определяется по абсолютным температурам. К.п.д. холодильной машины – обратный показатель эффективности теплонасоса:

КПД Карно становится стандартной или верхней границей для идеальной эффективности цикла в периоде сжатия пара. Нагрев окружающей среды T₂ постоянен, в то время как значение T₁ зависит от потребителя. Очевидно, что T₁ уменьшается так же, как к.п.д.

Идеальный цикл сжатия пара

Идеальное сжатие пара показано на диаграмме «давление-энтальпия». Энтальпия – это сумма внутренней энергии и «энергии потока» хладагента. Линия насыщения (показано жирной линией) идентифицирует положение точек в термодинамическом пространстве, где хладагент изменяет фазу (от жидкости до двух фаз и от двух фаз до пара и наоборот). Как показано на рисунке, сжатие считается изоэнтропным, а в теплообменниках давление постоянно.

Работа сжатия – это разница в энтальпии в состояниях 2 и 1, а передаваемое в помещение (через конденсатор) тепло – разница энтальпий в точках 2 и 3. Устройство для регулирования между состояниями 3 и 4 снижает давление и приводит к изменению хладагента до двухфазного состояния. Этот прогон при постоянной энтальпии важен.

Реальное сжатие пара в компрессоре

В реальных процессах сжатия пара хладагент, попадающий в компрессор, слегка перегревается, в то время как выход из конденсатора, как правило, слегка переохлаждён. Теплообменники также демонстрируют небольшое падение давления, фактическая работа сжатия выше, чем изоэтропное значение идеальной работы. Участки на диаграмме давление-энтальпия становятся полезными аналитическими инструментами.

Ограничением в производительности насосных аппаратов становится размер теплообменников. КПД Карно потребует бесконечные поверхности передачи тепла (с бесконечно малой температурой градиентов). Размер теплообменников связан с пространственными ограничениями установки, стоимостью материалов и ограничениями на доставку.

Для повышения теплопередачи и воздухообмена в тепловых насосах типа «воздух-воздух» используются специальные вентиляторы. Энергия, используемая для привода этих вентиляторов (или насосов в случае систем «вода-воздух», «воздух-вода» или «вода-вода»), учитывается в вычислительной системе.

Сопоставление условий работы холодильной машины и теплового насоса

О принципе работы холодильной машины в этом видео:

Компрессионные холодильные системы

Схема одноступенчатой хол. машины с дроссельным вентилем

Сжатие в охлаждающем устройстве обеспечивается с помощью механического компрессора, а для дросселирования установлен дроссельный вентиль как пример. Два теплообменника соединены в цепи с обеих сторон между элементами сжатия и расширения.

При циркуляции хладагента пар из компрессора I всасываются и сжимается. В реальных компрессорах сжа­тие осуществить невозможно из-за необратимых потерь. Хладагент конденсируется в выходном теплообменнике (конденсаторе) II. Жидкий хладагент направляется в корпус дросселя III и расширяется. При расширении давление хладагента уменьшается, хладагент охлаждается и частично испаряется.

Во втором теплообменнике (испарителе) IV хладагент поглощает тепло, подаваемое из холодного объёма, путём испарения. Компрессор всасывает испарённый хладагент, и круг соединён. Согласно второму закону термодинамики, энергия подаётся извне в виде механической работы для работы чиллера. Тепло конденсации, выделяемое на конденсаторе, представляет собой сумму энергии охлаждения, поглощённой испарителем, энергии привода и эксплуатационных потерь от теплоизоляции и трения.

Показатели производительности технически реализованных компрессионных холодильных систем выше 1. В области кондиционирования воздуха с разницей между температурой охлаждаемого воздуха и окружающей средой достигаются показатели производительности до 7.

Реальная холодильная машина

В реальном холодильнике используют разные циклические процессы. Энергетическая схема холодильной установки на рисунке ниже:

Энергетическая схема холодильной установки

В холодильнике тепло, извлечённое изнутри, отводится в комнату через конденсатор на задней стенке. Рабочий хладагент забирает от охлаждаемого объекта (тела) теплоту Q₁ и передаёт нагревателю (тепловому резервуару) больший уровень теплоты Q₂.

Схема теплонасоса такая же. Отличие от охлаждающей установки заключается в том, что в насосе теплота Q₁ нагревает воздух в обогреваемом объёме, а теплота Q₂ забирается из менее нагретого окружения. Термоциклы холодильника и теплонасоса совпадают.

Насос для тепла — это устройство, которое извлекает теплоэнергию из низкотемпературного источника (наружный воздух или земля) и передаёт в высокотемпературный приёмник (обогреваемое помещение здания).

Например, бытовой холодильник сравните с тепловой помпой. Охлаждая пищевые продукты, холодильное устройство забирает теплоту. Внешний теплообменник передаёт теплоту окружающему воздуху. Еда действует как источник, воздух на кухне как приёмник.

Основные законы в термодинамике признают, что не требуется работы для передачи тепла от высокотемпературного источника к низкотемпературному поглотителю (достаточно проводящего пути), но требуется передавать тепловую энергию от низкотемпературного источника к высокотемпературному.

Что такое чиллер?

Схема компрессионной охлаждающей машины: A — тепловой резервуар, B — охлаждаемое тело, I — теплоизоляция, 1 — конденсатор, 2 — дроссель, 3 — испаритель, 4 — компрессор

Холодильник представляет собой устройство, которое делает охлаждение. По этой причине в каждом чиллере есть место, которое холоднее, чем температурный уровень окружающей среды (например, испаритель в компрессорных чиллерах). Если подлежащий охлаждению объект приводится в контакт с этим холодным местом, то объект охлаждается.

Чиллер реализует термодинамический круг, в котором тепло поглощается при температуре ниже окружающей среды и выделяется при высоком термосостоянии. В этом смысле чиллер похож на теплонасос.

Для реализации используются:

• Системы холодного пара, в которых свойства веществ используются для разных температурных уровней кипения или конденсации при разных давлениях. Вещества, используемые таким образом, называются хладагентами или рабочими телами. Рабочий диапазон ограничен достижимыми температурами кипения или конденсации хладагентов.
• Эффект Джоуля-Томсона, который приводит к реальным газам при расширении. Этот эффект является, например, основой процесса Линде. Из-за многоступенчатого применения получают низкие температурки, например, для сжижения воздуха.

Чиллер. Об устройстве и принципе работы в этом видео:

Основы теории и расчёт холодильной машины

При искусственном охлаждении осуществляются обратные круговые действия. Идеальным процессом холодильного устройства является, например, обратный и обратимый цикл Карно. Действительный кругооборот чиллера отличается от обратимого циклического.

Осуществление перехода от идеала к реальному режиму проанализируем на примере парокомпрессионной двухступенчатой холодильной установки на рисунке ниже.

Переход от идеального к реальному холодильному круговому процессу (циклу):

а —обратный цикл Карно; б — обратный цикл Карно с внешней необратимостью; в — теоретический цикл парокомпрессионного чиллера; г — теоретический усложнённый режим парокомпрессионного чиллера; д — реальный режим парокомпрессионного чиллера

Расчёт холодильной машины

Эффективность реального процесса чиллера по отношению к идеалу определяется при помощи к.п.д. (коэффициент полезного действия): η _{холод.маш} = E_д/Е_с = η₁ η₂ η₃ η₄, где каждый из к.п.д. (η) учитывает переход от циклов по возрастанию. К.п.д. η₁ учитывает потери от перехода из режима а к режиму б на рисунке (внешняя необратимость): η₁ = Е_сΔ / Е_с = [(T_о.ср/T_о) — 1] / [T_к/Т_кип) — 1].

Коэффициентом η₂ =  Е_Т / Е_сΔ учитываются потери в теоретическом обороте. В качестве теоретического процесса принята парокомпрессионная одноступенчатая машина (рис., в) с адиабатным сжатием сухого насыщенного пара и с дросселированием жидкости в насыщенном состоянии. Часто цикл называется эталонным. При подсчёте η₂ учитываются потери при дросселировании и от перегрева сжатого газа выше температуры конденсации. η₂ зависит от свойств хладагента.

К.п.д. η₃ = Е_Т.У / Е_Т характеризует усложнённый теоретический режим (на рис., г) по отношению к простейшему циклу. В реальности циркуляция усложняется многоступенчатым сжатием, регенеративным теплообменником и т.п., чтобы достичь улучшения показателей чиллера.

При расчёте η₄ = Е_Д / Е_Т.У учитываются потери в реальном кругообороте: реальные раунды сжатия, гидропотери, необратимость процессов теплообмена внутри и др.

Переход от усложнённых теоретических действий к действительному прогону (на рис., д) осуществляется в несколько этапов, учитываются такие потери: теплопритоки из окружения, гидросопротивления и др. η₄ рассчитывается в виде произведения сомножителей потерь. Величину η₄ проектируемой машины оцените по значению Е_Д аналогов. Точные значения η₄ получаются при испытаниях опытного экземпляра.

Реальные тепловые насосы

В реальных теплодвигателях не получится создать условия, как в двигателе с циклом Карно. Коэффициент производительности реальных теплопомп ниже идеального коэффициента производительности.

Реальные насосы для тепла используют рабочие агенты, которые конденсируются при сжатии и испаряются при расширении. В результате используется теплота испарения или конденсации, так что рабочее вещество поглощает или выделяет большее количество тепла.

Поэтому циклические процессы в реальных насосах отличаются от идеального процесса Карно. На следующем рисунке показан поток энергии в перекачивающем устройстве:

Поток энергии в тепловом насосе

Насосы для транспортировки также работают в режиме охлаждения. Тогда значение к.п.д. не больше единицы. Однако в целях экономии большинство насосов для тепла рассчитаны на работу как в режиме обогрева, так и в режиме охлаждения, что позволяет для отопления и кондиционирования воздуха применять одно и то же оборудование.

Передача теплоэнергии от источника к потребителю требует в базовых конструкциях протекания жидкости в контуре, проходящего через один теплообменник, который получает тепло от холодного источника тепла, и второй теплообменник, который отбрасывает тепло в тёплый регион. Хотя воздушные циклы не являются необычными, подавляющее большинство традиционных конструкций требуют использования хладагента.

Как устроен тепловой насос и принцип работы в этом видео:

Классификация тепловых насосов

Насосные системы используют источник воздуха, воды, или земли в сочетании с источником тепла, полученному испарителем снаружи. Кроме того, насосные аппараты применяются для нагрева воздуха, как в системе распределения принудительного воздуха, так и для воды (отопление). Насосы для нагрева называются «воздух-воздух», «воздух-вода», «земля-вода», и т.д.

Сам источник, будь то воздух, вода или земля, является приёмником теплоты из промышленного или отходного процесса (в виде отходного тепла) или даже от энергии солнца (солнечная помощь).

Приборы для нагрева, выбрасывающие воздух, упрощаются в установке, обслуживании и имеют низкую стоимость. Устройства от наземного и водного источника не подвержены большим колебаниям, наблюдаемых в большинстве систем, связанных с источником воздуха. Относительное постоянство в температуре источника позволяет оптимизировать конструкцию и достигать сезонной эффективности.

Что касается применения, тепловые помпы, как правило, попадают в один из трёх типов: бытовые (комнатные), унитарные (сплит-системы) и центральные (сборные). Комнатные теплонасосы являются однопакетным агрегатом, обслуживающим отдельные зоны и установленным через стены.

Унитарные типы бывают центральными однозонными или многозонными системами, или классифицируются как одноместные или сплит-системы. Однопакетные агрегаты имеют конденсатор, испаритель и компрессор в одном пакете, в то время как разделённые системы имеют конденсатор и компрессор в одном пакете и испаритель в другом.

Крупные системы, отобранные для соответствия конкретным проектам, имеют отдельные компоненты. Как правило, используются исключительно в зданиях с большими нагрузками и для других нежилых приложений. Системы унитарного типа «воздух-воздух» являются распространёнными и представляют интерес.

Принцип работы теплового насоса «воздух-воздух». Режим отопления

Выводы

Тепловые насосы начинают чаще использовать для отопления зданий. Тепловые помпы поглощают тепло из холодной среды (почва, грунтовые воды или наружный воздух) и отдают теплоту внутрь через нагревательную воду. Механическая энергия, необходимая для этого, получается из электрической энергии (электродвигатель).

Поскольку электрическая энергия поступает из преобразования тепла в механическую энергию и, в конечном счёте, в электрическую энергию, которая связана с большими потерями, работа является экономичной только в том случае, если коэффициент производительности больше 3.

Принцип работы геотермального теплового насоса

Теплоагрегаты достигли уровня зрелости и приемлемости в качестве экономически эффективных нагревательных устройств. Теплопомпы применимы как к жилым, так и к коммерческим зданиям. Распространённый тип агрегатов использует воздух в качестве источника теплоты. В виду того, что эффективность и ёмкость устройств уменьшаются с внешней температуркой, то конструируются для того, чтобы работать со вспомогательными источниками отопления.

Проводятся исследования для улучшения конструкции, описательной методологии, прогнозирования сезонных источников утилизации тепла, стратегий управления и использования теплоисточников помимо окружающего воздуха. Конкурентный характер оборудования для отопления управляет некоторыми из этих улучшений на рынке.

Холодильные машины широко используются в бытовых холодильниках, морозильных камерах, системах дозирования, холодильных камерах, системах кондиционирования воздуха, на катках, бойнях, пивоваренных заводах и в химической промышленности.

Чиллер

Использованная литература

1. Холодильные машины. Справочник. Главный редактор А. В. Быков. Издательство «Легкая и пищевая промыш­ленность», 1982 — 224 с.
2. Холодильные машины. Под ред. И. А. Сакуна: — Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. — 510 с.
3. Техническая термодинамика. Учебное пособие. Под ред. проф. Э. И. Гуйго. 2-е изд., испр. и доп.— Л. Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. 296 с.

Автор: Королёв Сергей