Тепловые насосы и холодильники

Физика > Тепловые насосы и холодильники

 

Обогрев и охлаждение в тепловом насосе. Читайте определение и применение теплового насоса, принципы теплообмена, роль хладагента, состав теплового насоса.

Тепловой насос – прибор, передающий тепловую энергию от источника к теплопроводу против температурного градиента.

Задача обучения

• Разобраться в том, как компоненты теплового насоса приводят к перекачке тепла из холодного резервуара в нагретый.

Основные пункты

• Тепловой насос нужен для того, чтобы передача тепла (Q_h) происходила в теплой среде.
• Кондиционеры и холодильники нужны для того, чтобы теплопередача (Q_c) осуществлялась из прохладной среды.
• Тепловой насос можно применить для обогрева или охлаждения. Это возможно благодаря обратному потоку хладагента.

Термин

• CFC – органическое соединение, используемое в качестве хладагента. Редко применимо, так как разрушает озон.

Рассмотрим принцип работы теплового насоса. Тепловые насосы, холодильники и кондиционеры используют теплообмен. Теплопередача осуществляется от прохладного к горячему. Для этого нужно выполнить работу. Получается, что передача тепла в горячий резервуар: Q_h = Q_c + W.

Тепловой насос нужен для того, чтобы тепло передавалось в теплой среде. Кондиционеры же выполняют это в прохладной среде. Интересно, что тепловой насос можно применить для нагревания помещения и охлаждения.

Тепловые насосы

В приборе используют рабочую жидкость – хладагент. Среди компонентов присутствуют конденсатор, испаритель, расширительный клапан и компрессор. Теплопередача осуществляется в испарителе с рабочей жидкостью, трансформирующейся в газ. Компрессор с электрическим приводом увеличивает температуры и давление газа, запуская его в катушки конденсатора, расположенные внутри нагретого пространства.

Температура газа превышает показания внутри пространства, поэтому тепло передается в помещение, а газ конденсируется с жидкостью. Далее жидкость попадает в редукционный клапан и, из-за расширения, охлаждается. Ниже представлена схема теплового насоса.

Простой тепловой насос обладает четырьмя компонентами: конденсатор (1), расширительный клапан (2), испаритель (3), компрессор (4)

Коэффициент производительности

Чтобы оценить качество теплового насоса, нужно вычислить отличие между осуществляемой теплопередачей и необходимой мощностью. Коэффициент производительности теплового насоса рассчитывается как:

COP_hp = Q_h / W

Эффективность теплового двигателя: Eff = W/Q_h, так что COP_hp = 1/Eff. Показатель любого теплового двигателя меньше 1, поэтому COP_hp всегда превосходит его. То есть, тепловой насос всегда обладает большей теплопередачей (Q_h), чем работа, введенная в него. Приборы функционируют лучше всего, когда разница температур небольшая. Эффективность идеального двигателя:

Кондиционеры и холодильники

Эти приборы предназначены для охлаждения чего-то в теплом окружении. Для передачи тепла от холода к горячему нужно выполнить работу. Качество оценивается по тому, сколько тепла передается от холода по сравнению с введенной работой. Коэффициент производительности:

COP_ref = Q_с / W

Так как Q_h = Q_c + W и COP_hp = Q_h / W, получаем

COP_ref = COP_hp - 1.

При Q_h > Q_c станет ясно, что коэффициент производительности кондиционера уступает тепловому насосу.

---