| Термодинамика | |||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 | |||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
Книга
КатегорияЭта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Термодинамические циклы тепловых насосов или циклы охлаждения концептуальные и математические модели для теплового насоса , кондиционирования воздуха и холодильных систем. Тепловой насос - это механическая система, которая позволяет передавать тепло из одного места («источника») с более низкой температурой в другое место («сток» или «радиатор») 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 [ править ]
Согласно второму закону термодинамики тепло не может самопроизвольно течь из более холодного места в более горячее; для этого требуется работа . [3] Кондиционер требует работы, чтобы охладить жилое пространство, перемещая тепло из более прохладного внутреннего пространства (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 действия идеального теплового двигателя был описан математически , используя цикл Карно с помощью Карны в 1824. Идеальной охлаждении или систему теплового насоса можно рассматривать в качестве идеального теплового двигателякоторый работает в обратном цикле Карно. [4]
Тепловой насос и холодильные циклы могут быть классифицированы как сжатие пара , поглощения паров , газов цикла или цикла Стирлинга типов.
Цикл сжатия пара [ править ]
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.
В термодинамика цикла может быть проанализирован на диаграмме [5] [6] , как показано на рисунке 2. В этом цикле, циркулирующая рабочей жидкость обычно называют хладагент , таких как фреон поступает в компрессор в качестве низкого давления и низкой температура пары. Пар сжимается с постоянной энтропией и выходит из компрессора перегретым . Перегретый пар проходит через конденсатор, который сначала охлаждает и устраняет перегрев, а затем конденсирует пар в жидкость, выделяя дополнительное тепло при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент проходит черезрасширительный клапан (также называемый дроссельным клапаном), где его давление резко падает, вызывая мгновенное испарение и автоохлаждение, как правило, небольшой части жидкости. [7]
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, небольшая термодинамическая необратимость во время сжатия пара хладагента или неидеальное поведение газа ( если есть). [4]
Цикл абсорбции пара [ править ]
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 низкого коэффициента полезного действия (около одного пятую часть цикла сжатия пара). В настоящее время цикл абсорбции пара используется только там, где тепло более доступно, чем электричество, например, промышленные отходы тепла , солнечная тепловая энергия за счет солнечных коллекторов или автономное охлаждение в транспортных средствах для отдыха .
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. Тем не мение,Генератору 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), а также вода (хладагент) и бромид лития (абсорбент).
Системы абсорбционного охлаждения могут работать на ископаемых источниках энергии (например, уголь , нефть , природный газ и т. Д.) Или возобновляемых источниках энергии (например, регенерация отработанного тепла , биомасса , солнечная энергия ).
Газовый цикл [ править ]
В этом разделе не процитировать любые источники . ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Когда рабочая жидкость представляет собой газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазы, цикл охлаждения называется газовым циклом . Этим рабочим телом чаще всего является воздух . Поскольку в газовом цикле не предусмотрены конденсация и испарение, компоненты, соответствующие конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, представляют собой теплообменники горячего и холодного газа .
При заданных экстремальных температурах газовый цикл может быть менее эффективным, чем цикл сжатия пара, поскольку газовый цикл работает по обратному циклу Брайтона, а не по обратному циклу 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 для газовых холодильных машин требуется больший массовый расход, что, в свою очередь, увеличивает их размер.
Охладители с воздушным циклом из-за их более низкой эффективности и большего размера не часто применяются в наземном холодоснабжения. Машина воздушного цикла является очень распространенной, однако, на газотурбинных Приведено реактивных самолетах , так как сжатый воздух легко доступен из компрессорных секций двигателей. Блоки охлаждения и вентиляции этих реактивных самолетов также служат для обогрева и создания избыточного давления в кабине самолета .
Двигатель Стирлинга [ править ]
В этом разделе не процитировать любые источники . ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Цикл Стирлинг тепловой двигатель может приводиться в обратном направлении, с использованием механической энергии для привода передачи тепла в обратном направлении (т.е. теплового насоса 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 [ править ]
Цикл Карно является обратимым циклом, поэтому четыре процесса, которые его составляют, два изотермических и два изоэнтропических, также могут быть обращены. Когда цикл Карно работает в обратном направлении , он называется обратным циклом 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 поглощает тепло изотермический от источника низкой температуры, T L , в количестве Q L . Затем хладагент изоэнтропически сжимается, и его температура повышается до температуры высокотемпературного источника T H. Затем при этой высокой температуре, хладагент отводит тепло изотермический в количестве Q H . Также во время этой стадии хладагент переходит из насыщенного пара в насыщенную жидкость в конденсаторе. И, наконец, хладагент расширяется изэнтропический до тех пор , пока его температура падает к тому , что от источника с низким уровнем температуры, T L . [2]
Коэффициент полезного действия [ править ]
Эффективность холодильника или тепловой насос задается параметр называется коэффициентом полезного действия (КС).
Уравнение:
куда
- полезное тепло, подводимое или отводимое рассматриваемой системой.
- - работа, которую требует рассматриваемая система.
Подробный COP холодильника определяется следующим уравнением:
КПД теплового насоса (иногда называемый коэффициентом усиления COA), определяемый следующим уравнением, где Q H = Q L + W net, в :
И КПД холодильника, и теплового насоса может быть больше единицы. Объединение этих двух уравнений приводит к:
- при фиксированных значениях Q H и Q L .
Это означает, что COP HP будет больше единицы, потому что COP R будет положительным значением. 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, часть Q H теряется в наружный воздух через трубопроводы, изоляцию и т. Д., В результате чего COP HP падает ниже единицы, когда температура наружного воздуха слишком низкая. Поэтому в системе отопления домов используется топливо. [2]
Для холодильников и тепловых насосов Carnot COP можно выразить через температуры:
Ссылки [ править ]
- ^ Том Системы и оборудование Справочника ASHRAE, ASHRAE, Inc., Атланта, Джорджия, 2004
- ^ a b c Cengel, Юнус А. и Майкл А. Болес (2008). Термодинамика: инженерный подход (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-330537-0.
- ^ Основы инженерной термодинамики , Хауэлл и Бакиус, МакГроу-Хилл, Нью-Йорк.
- ^ a b «Описание Справочник ASHRAE, 2017 г. - Основы» . www.ashrae.org . Проверено 13 июня 2020 .
- ↑ Идеальный цикл сжатия пара, заархивированный 26 февраля 2007 г. на Wayback Machine
- ^ «Прокрутите вниз до« Базового цикла сжатия пара и компонентов » » . Архивировано из оригинала на 2006-06-30 . Проверено 2 июня 2007 .
- ^ «Значения термостатического расширения: Руководство по пониманию TXV» . Подключение переменного тока и отопления . 2013-06-24 . Проверено 15 июня 2020 .
- ^ Альтхаус, Эндрю (2004). Современное охлаждение и кондиционирование . Компания Goodheart-Wilcox, Inc. стр. 109. ISBN 1-59070-280-8.
- Примечания
- Оборачивается, Стивен (2006). Термодинамика: концепции и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 756. ISBN. 0-521-85042-8.
- Динсер, Ибрагим (2003). Холодильные системы и их применение . Джон Уайли и сыновья. п. 598. ISBN 0-471-62351-2.
- Уитмен, Билл (2008). Техника охлаждения и кондиционирования воздуха . Дельмар.
Внешние ссылки [ править ]
- «Основной цикл охлаждения»
