Тепловий насос

Нагадаємо принцип дії теплового насоса [35] (про нього вже йшлося в гол. 3). Незалежно від типу та конструкції цей пристрій виконує, як правило, одну функцію - відбирає теплоту Qo c від навколишнього середовища при її температурі Г0 с і віддає теплоту при вищій температурі Тг в опалювальне приміщення або для підігріву в якомусь технічному пристрої. Такий процес переходу теплоти сам по собі не може відбуватися — це

Заборонено другим законом термодинаміки. Тому для забезпечення роботи теплових насосів потрібна певна витрата ексергії. Найчастіше для приводу теплового насоса використовується електроенергія.

Принципова схема найпростішого (парокомпрес - сіонного) теплового насоса показана на рис. 4.4.

Робоче тіло в пароподібному стані стискається АЛЛ Гг компресором (тому вуста -

Новка і називається пароком – пресійною). Пара, що нагрілася при стисканні, охолоджується і переходить у рідкий стан у конденсаторі; при цьому від нього при підвищеній температурі Тт відводиться до споживача (напр-

Мір, в приміщення, що нагрівається) теплота QT. Отримана рідина розширюється Рис. 4.4. Схема теплового насоса дроселя, і її тиск знижується. При цьому частина рідини випаровується і її температура падає до Тк, дещо нижчою, ніж температура навколишнього середовища Го с. У випарнику холодна рідина, забираючи теплоту Qo c у навколишнього середовища, повністю випаровується і знову надходить компресор; цикл замикається.

Візьмемо для прикладу конкретні показники роботи насоса, близькі до тих, що зустрічаються на практиці.

Щоб опалювати приміщення і підтримувати в ньому температуру +20 °С, робоче тіло, що конденсується, повинно мати температуруТг, скажімо, 50 ° С (323 К). Нехай температура навколишнього середовища Гос буде -10 ° С або 263 К (зимові умови). Для того щоб робоче тіло могло кипіти у випарнику, забираючи теплоту від середовища, воно повинно бути трохи холодніше за неї. Приймемо температуру кипіння

Приймемо також, що теплова потужність Qr, що віддається в приміщення, становить 5 кВт, а підводиться до компресора N = 2 кВт. Тоді за енергетичним балансом теплова потужність Qo c, що відбирається від навколишнього середовища, становитиме 5 - 2 = 3 кВт. Використовуючи ці дані, можна легко розрахувати всі енергетичні характеристики теплового насоса. Щоб закінчити розгляд балансу,

Характеризує систему з позицій першого початку термодинаміки, визначимо відношення отриманої теплоти QT до витраченої електричної роботи. Ця величина, яка називається тепловим або опалювальним коефіцієнтом, тут має значення /і = 5/2 = 2,5. Отже, на 1 кВт електричної потужності, що підводиться до компресора, приміщення віддається 2,5 кВт теплової потужності. Той факт, що /і > 1, викликає захоплення у прихильників «енергетичної інверсії». Називаючи коефіцієнтом корисної дії (замість теплового коефіцієнта), вони стверджують, що він (ККД) перевищує 100 %, оскільки «концентрує енергію», взяту з навколишнього середовища. Справді, 3 кВт беруться із довкілля. Діаграма на рис. 4.5 наочно показує цей енергетичний баланс як смугового графіка, де ширина кожної лінії пропорційна відповідному потоку енергії.

Мал. 4.5. Смужні графіки енергетичного (а) та ексергетичного (б) балансів теплового насоса

Тепер займемося аналізом цього теплового насоса з позицій другого закону термодинаміки. Почнемо з ентропії. У цьому прикладі її легко підрахувати.Справді, ентропія, що віддається.

S" = Qr/Tr = 5/323 = 0,015 кВт/К, а підводиться

S' = Qo. c/Го. з = 3/253 = 0,012 кВт/к.

Більше ніяка ентропія до теплового насоса не підводиться, оскільки високоорганізована електроенергія безентропійна. Значить, з другим законом тут все гаразд: відведена ентропія S" більше підводиться S'. Необоротні, реальні процеси в тепловому насосі призводять, природно, до її зростання на AS = 0,003 кВт/К. Значить, дія теплового насоса жодним чином не суперечить Другому закону термодинаміки: ентропія зростає, а як же з ККД та «концентрацією» енергії?

Займемося цим та розглянемо роботу теплового насоса за допомогою складання та аналізу його ексергетичного балансу. До такого балансу, так само як і до енергетичного, повинні входити три члени, що відповідають енергетичним потокам. Однак один з них дорівнюватиме нулю, оскільки ексергія потоку теплоти Qo. c> що відбирається з навколишнього середовища при Го с, дорівнює нулю (за формулою Карно). Отже, в систему ексергія надходить лише з електроенергією (заштрихована смуга відповідає ексергії); підрахувати її легко, оскільки високоорганізована електрична енергія є повністю працездатною. Значить, що надходить ексергія Ef = 2 кВт.

Ексергія, що відводиться, являє собою ексергію відводиться теплоти QT вона дорівнює Е" = = 0,929 кВт.

Решта ексергії Е' - Е" = 2 - 0,929 = 1,071 кВт втрачена внаслідок незворотності. Ексергетичний ККД теплового насоса складе

Г]е = - = 0,46, або 46%.

Відповідна ексергетична діаграма показано на рис. 4.5 б. З неї видно, що ексергетичний баланс дає найповнішу інформацію про енергетичні перетворення в системі. Він показує, скільки корисної, працездатної енергіївитрачено, скільки отримано та скільки втрачено внаслідок незворотності, спричиненої термодинамічною недосконалістю процесу. ККД показує (на відміну від теплового коефіцієнта) ступінь наближення процесу до ідеального: лише 46% підведеної ексергії «пішли у справу». Інші 54% втрачені. Незважаючи на те, що ККД істотно менше 100%, такий нагрівання більш ефективний, ніж безпосереднє електричне або пічне опалення; звідси і прагнення використання теплоти від теплоелектроцентралей (ТЕЦ) і теплонасосних установок (ТНУ).

Подивимося, скільки коштує в енергетичному сенсі теплота при отриманні її різними шляхами. Наведемо такий розрахунок для тих самих умов (Т с = -10 ° С, температура опалювального приладу Тг = 50 ° С) стосовно електропечі. При витраті електроенергії (тобто ексергії) 1 кВт вона дасть, звісно, 1 кВт теплоти, Q = 1. Звідси ексергія теплоти буде 132 32363 = ОД86 кВт. Отже ККД електропечі Tje = 18,6%. Такий приблизно ККД матиме і звичайна піч, так як ексергія палива (наприклад, вугілля) практично дорівнює теплоті, яка в ідеальному процесі горіння може бути з нього отримана. Таким чином, з 1 кВт теплоти, як і в електропечі, буде отримано 0,186 кВт ексергії теплоти. ККД опалення з ТЕЦ становить близько 40-45%, тобто приблизно такий самий, як і у ТНУ.

Підрахуємо на закінчення, скільки теплоти Q для опалення за цих умов (Тг = 50 °С) зможе дати 1 кВт електроенергії в ідеальному тепловому насосі. При г]е = 1 (тобто 100%) ексергія отриманої теплоти дорівнюватиме

Ось скільки теплоти може дати ідеальний тепловий насос!

Розгляд теплового насоса, проведений вище, показує, що це дуже гарний і корисний на своєму місці пристрій. Однак немає жоднихпідстав вважати, що він має чудові властивості. Тепловий насос приносить користь, але, як будь-яка реальна установка, збільшує ентропію, перетворюючи більш впорядковану, організовану електроенергію і менш організовану теплоту Qo c ще менш організований тепловий потік з більшою ентропією. Жодної «концентрації» (якщо розуміти її як підвищення якості енергії) тому він не виробляє. Тепловий коефіцієнт /І у нього завжди більше одиниці, але жодного дива в цьому немає, /і — це не ККД. Легко показати, що і може мати набагато більші значення, ніж

2 або 3, розглянувши його зміну за різних зовнішніх умов.

Візьмемо для прикладу тепловий насос із високим, але цілком досяжним ККД Tje — 0,5 і підрахуємо його тепловий коефіцієнт за різних значень верхньої температури Т2 і за Т0 с = 293 К (20 °С). Приймемо значення Т2 рівними 25, 50, 100, 150, 200 і 250 °С (за шкалою Кельвіна відповідно 298, 323, 373, 423, 473 і 523 К). Тоді за витрати потужності N = 1 кВт ми отримаємо на верхньому рівні при вибраному ККД ексергію теплоти Eq = 0,5 кВт. Звідси можна визначити Qr, користуючись відомим співвідношенням

Qr = EqrTi^=0,5; г

'Тг-То. з Тг - 293

Тепловий коефіцієнт /і = QT/N. Розрахунки дають: