Лабораторная 3 Тепловой насос ТЕОРИЯ

Тепловой насос  это устройство, с помощью которого тепло от холодного тела передают
горячему телу. В таком определении кроется явный подвох. Интуитивно всем понятно, что при
соприкосновении двух тел с разными температурами тепло передается от горячего к холодному, а
не наоборот, как якобы происходит в тепловом насосе. Из опыта жизни и элементарных
наблюдений всем хорошо известно, что каждое тело имеет свою температуру. Понятие
температуры интуитивно ясно, но более строго температура или абсолютная температура T
вводится в разделе физики  термодинамике. Термодинамика  это универсальная наука,
изучающая изменение состояния любого вещества на основе феноменологии и элементарной
математики. Термодинамика изучает поведение и изменение состояния вещества при изменении
температуры, в том числе и изменение агрегатного состояния вещества, которое называют
фазовым переходом. Несмотря на то, что термодинамика описывает изменения состояния
вещества всегда происходящее по времени, такой переменной как время в термодинамике нет. В
термодинамике состояние любого вещества однозначно описывается парой переменных.
Состояние газа описывается, например, давлением P и объемом V или другой эквивалентной
парой переменных температурой T и энтропией S , причем (T , S )  более универсальная пара
переменных применимая даже к изменению диэлектрических и магнитных свойств веществ.
Поэтому существует термодинамика диэлектриков, термодинамика ферромагнетиков и т.д.
Существование температуры  это нулевое начало термодинамики. Если понятие
температуры абсолютное, то понятие энтропии в термодинамике относительное, поэтому можно
говорить только об изменении S или в дифференциальной форме
dS 
dQ
T
(1)
здесь Q  количество тепла или тепловой энергии. Передача тепла от одного тела к другому
также интуитивно понятно. Пусть у нас имеются два тела с разными температурами. При
соприкосновении двух тел с разными температурами тепло передается от горячего к
холодному телу в этом суть первого начала термодинамики. Этот процесс передачи тепла
необратим, т.е. назад тепло от холодному к горячему никогда не перейдет. Понятие обратимого и
необратимого процесса также одно из важнейших в термодинамике. Рассмотрим, что происходит
с энтропией при передаче тепла от холодного к горячему. Пусть тело с T1  T2 потеряло
количество тепла Q1  0 . Второе тело приобрело то же количество тепла Q2  Q1  0 .
Согласно (1) изменение энтропии первого тела S1  Q1 / T1 , а энтропии второго тела
S2  Q2 / T2 . Общее изменение энтропии в данном процессе передачи тепла
S  S1  S2 
1 1
Q1 Q2

 Q2     0
T1
T2
 T2 T1 
(2)
поскольку T1  T2 , то 1/ T1  1/ T2 и условие (2) означает, что при передаче тепла энтропия
системы растет. Более того, справедливо более общее утверждение: в неравновесных процессах
энтропия всегда растет.
Еще одно важное понятие в термодинамике  физическая работа A . Если газ с давлением
P изменил свой объем на величину V  0 , например, в ходе расширения в цилиндре за счет
смещения поршня, то он совершит механическую работу A  PV  0 . И наоборот, при сжатии
газа на величину V  0 надо затратить работу A  PV  0 . Первое начало или первый закон
термодинамики в математической форме представляет собой простой закон сохранения
внутренней энергии U
dU  dQ  dA  TdS  PdV
(3)
Внутренняя энергия U ( S , V )  это одна из термодинамических функций, каждая из которых
имеет свою пару независимых переменных. Термодинамические функции вводятся для удобства
описания специальных термодинамических процессов, где они сохраняются. Особенно физически
ясен смысл внутренней энергии, поскольку она сохраняется в изотермичесих процессах. Теперь
становится понятным, что в процессе передачи тепла от одного тела к другому может тратиться
или совершаться и механическая работа. Эти процессы изучаются в термодинамике на основе
замкнутых тепловых циклов. При этом различают два типа тепловых циклов: прямой и обратный.
В прямом цикле рабочее тело получает и отдает тепло, причем если баланс тепла
положительный,
то
согласно
(3)
рабочее
тело
совершает
механическую
работу
A  Q  Q  Q  0 . В обратном цикле баланс тепла отрицательный и для этого надо
затратить механическую энергию A  Q  0 .
Со времен создания первых паровых двигателей  паровозов людей интересовал главный
вопрос, который и двигал развитие термодинамики: с какой эффективностью затраченное тепло
Q , переданное, например, водяному пару в процессе сжигания угля в топке паровоза, можно
перевести в работу, т.е. какова величина полезного действия теплового двигателя   A / Q  ?
На этот вопрос отвечает второй закон термодинамики в одной из своих формулировок: тепло
нельзя полностью перевести в работу,   1 .
Таким образом, определение теплового насоса требует уточнения. Тепловой насос  это
тепловая машина с обратным тепловым циклом, в процессе которого тепло от холодного тела
передается горячему телу. Для теплового насоса очень важным параметром является величина
отопительного коэффициента  T  Q / A , а также величина холодильного коэффициента
 X  Q / A , в зависимости от нашей цели получать тепло или холод с помощью затрат
механической энергии. Смысл теплового насоса в том, что и отопительный, и холодильный
коэффициенты всегда больше единицы, т.е.  T  1 и  X  1. С помощью тепловых насосов можно
отапливать жилые помещения, нагревая воду в системах водяного отопления до 60С, забирая
тепло, например, от подземных вод с температурой 816С. В странах Скандинавии, например, до
70% всех систем отопления жилых и производственных помещений построено на тепловых
насосах, а источником тепла для них являются воды Балтики с зимней температурой не выше 7С.
Другой вид тепловых насосов  холодильные машины нам хорошо знакомы по бытовым
холодильникам. Здесь тепло из морозильной камеры с температурой -20С «перекачивается» в
комнату с температурой воздуха +20С. Но не следует думать, что в тепловых насосах с обратным
тепловым циклом нарушается первый закон термодинамики и тепло реально передается от
холодному к горячему. Например, в холодильнике рабочее тело  фреон, в процессе теплового
цикла в морозильной камере имеет температуру -25С, поэтому тепло от более горячего (-20С > 25С) перетекает к фреону, который в другой точке теплового цикла имеет температуру +80С и,
поэтому в конденсаторе в виде трубчатого радиатора на задней стенке холодильника, он
нагревает воздух, т.е. опять тепло, отнятое ранее из продуктов в морозильнике, передается от
горячего фреона к более холодному воздуху (+80С > +20C). Типичное значение отопительного
коэффициента в современных тепловых насосах  T  5 , поэтому, затратив 1кВт электрической
энергии на привод компрессора мы получаем почти 5кВт тепла. Если учесть, что кпд превращения
тепла в электричество на тепловой электростанции   0, 4 , то потребитель с тепловым насосом
удваивает количество тепла QW , затраченное на ТЭЦ: Q   T QW  2QW . Разумеется, появление
дополнительного тепла не нарушает никаких законов сохранения, а «берется» в процессе
теплового цикла от низкопотенциальных источников, как правило, воды с низкой температурой
515С. Низкопотенциальным источником тепла может быть и воздух, но при условии, что его
температура не будет опускаться ниже 0С, чтобы не решать сложных проблем с удалением инея
в теплообменниках. В странах с умеренным климатом, где зимняя температура не ниже 0С, такие
тепловые насосы используют повсеместно.
Современные тепловые насосы  это очень сложные устройства, в которых для повышения
удельной тепловой мощности использую фазовые превращения вещества, а повышения
эффективности
теплового
цикла
разнообразные
технические
приемы
(турбодетандеры,
многоконтурные циклы, многокомпонентные рабочие смеси и т.д.). Кроме непосредственно
рабочего вещества в тепловом насосе имеются еще как минимум два исходных вещества:
холодное вещество M X и горячее вещество M T между которыми посредством рабочего
вещества MW происходит обмен теплом. Поэтому в тепловом насосе имеются как минимум два
теплообменника, где обмениваются теплом пара веществ ( M X , M W ) и пара ( MW , M T ) . Теория
обмена теплом в теплообменнике с учетом реальной гидродинамики течения газов и жидкостей
 это очень непростоя теория, а если теплообмен сопровождается еще и фазовыми переходами,
т.е. кипением и конденсацией, то это многократно более сложное явление.
Описываемый в данном учебном пособии теплонасосный и теплообменный стенд включает
введение в теорию прямых и обратных тепловых циклов, теорию парокомпрессорного теплового
цикла, использованного в данном тепловом насосе, теорию теплообменника с однофазными
теплоносителями при их встречном течении, теорию теплообменника, в которых один из
теплоносителей является двухфазным и претерпевает фазовые превращения, т.е. кипит либо
конденсирует, а также руководство к выполнению лабораторной работы на автоматизированном
теплонасосном стенде.
Обратный цикл парокомпрессорной тепловой машины
Обратный цикл паросиловой тепловой машины носит название парокомпрессорной
холодильной машины. Теоретическая модель цикла на разных типах диаграмм показана на рис.7.
Рис.7. Теоретический цикл парокомпрессорной холодильной машины: а  i, S диаграмма; б 
T , S диаграмма; в  P, V диаграмма; г  схема холодильной машины.
В компрессоре КМ перегретый пар в процессе 1.1-2.2 адиабатически сжимается, на что тратится
работа A , а пар нагревается до температуры Tад . Затем в конденсаторе КД пар в теплообменном
контакте с нагреваемым веществом M T охлаждается до линии насыщения, отдавая тепло в
процессе 2.2-2”. При дальнейших потерях тепла в конденсаторе влажный пар полностью
сжижается в процессе до точки 2’ в процессе 2”-2’, а затем жидкий хладагент и переохлаждается
до точки 2.7 в процессе 2’-2.7, где его пребывание в конденсаторе заканчивается. Далее
конденсат попадает в терморегулирующй вентиль ТРВ. Где в термодинамическом процессе
Джоуля-Томсона его давление в процессе 2’-1.4 снижается, давление падает, температура также
падает до температуры насыщения, а паросодержание X увеличивается от нуля до некоторого
небольшого значения X  0 . Важно, что этот процесс изоэнтальпийный, что отражено на рис.7а.
Далее конденсат поступает в испаритель, где в процессе кипения при низкой температуре он
отбирает тепло в процессе 1.4-1”. Продолжая отбирать тепло от охлаждаемого вещества M X , пар
хладагента перегревается до исходной точки 1.1, тем самым замыкая цикл.