ФИЗИКА. Расчет кпд теплового насоса

• Название: Расчет кпд теплового насоса
• Дата: 11.05.2022
• Размер: 32.3 Kb.
• Имя файла: ФИЗИКА.docx
• Тип: Реферат; #523494

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Физика»
Реферат на тему: «Расчет кпд теплового насоса»

Выполнил студент гр. АСОИр-211

Панкова А.А.

Проверил: Хомченко А.В.

Могилев 2022

Содержание

Содержание 2

Коэффициент полезного действия (КПД) 3

Тепловой насос 3

Условный КПД тепловых насосов 4

Уравнение 5

Типы тепловых насосов 6

Теоретические пределы производительности 7

Список литературы 9

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия или КПД теплового насоса, холодильника или системы кондиционирования воздуха - это отношение полезного нагрева или охлаждения к требуемой работе (энергии).

Более высокая производительность приравнивается к более высокой эффективности, более низкому потреблению энергии (мощности) и, следовательно, более низким эксплуатационным расходам. Коэффициент полезного действия обычно превышает 1, особенно в тепловых насосах, потому что вместо простого преобразования работы в тепло (что, при 100% эффективности, было бы коэффициентом полезного действия 1), он перекачивает дополнительное тепло от источника тепла туда, где требуется тепло. Большинство кондиционеров имеют КПД от 2,3 до 3,5.

Для перемещения тепла требуется меньше работы, чем для преобразования в тепло, и из-за этого тепловые насосы, кондиционеры и холодильные системы могут иметь коэффициент полезного действия, превышающий единицу. Однако это не означает, что они эффективны более чем на 100%, другими словами, ни один тепловой двигатель не может иметь тепловой КПД 100% или выше. Для полных систем расчеты КПД должны включать потребление энергии всеми вспомогательными устройствами, потребляющими энергию.

КПД сильно зависит от условий эксплуатации, особенно от абсолютной температуры и относительной температуры между приемником и системой, и часто отображается на графике или усредняется по сравнению с ожидаемыми условиями. Производительность абсорбционных холодильных чиллеров обычно намного ниже, поскольку они не являются тепловыми насосами, использующими сжатие, а вместо этого полагаются на химические реакции, приводимые в действие теплом.

Тепловой насос

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю(теплоносителю)с более высокой температурой. 

Термодинамически  тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Режим работы теплового насоса в кондиционерах с функцией обогрева, реализуется за счет установки обратного четырех-ходового крана, который обеспечивает реверсивное движение хладагента в системе, то есть физически меняет местами испаритель и конденсатор. (Класс тепловых насосов Воздух\Воздух). Технически, тепловые насосы класса воздух-воздух — те же кондиционеры, но с обратным направлением движения хладагента и изменёнными функциями внутренних и наружных блоков. Когда внутренний блок системы выполняет функцию испарителя хладагента, а внешний блок конденсатора хладагента — система работает в роли кондиционера. Когда же внутренний блок выполняет функцию конденсатора хладагента, а внешний блок испарителя хладагента — система работает в роли теплового насоса. Функции внутренних и наружных блоков меняются за счёт изменения направления движения хладагента в холодильно-нагревательном контуре системы через электронно-механический четырёх-ходовой кран.

По прогнозам Международного энергетического агентства, тепловые насосы будут обеспечивать 10 % потребностей в энергии на отопление в странах ОЭСР к 2020 году и 30 % — к 2050 году.

Условный КПД тепловых насосов

КПД теплового насоса приводит многих в замешательство, так как если выполнить «очевидный расчет», то он принципиально больше 1, однако работа теплового насоса полностью подчиняется закону сохранения энергии. То есть если считать тепловой насос «черным ящиком», то действительно, устройство потребляет энергии меньше, чем производит тепла, что принципиально.

Однако, подобные расчеты просто неправильны и не учитывают источник энергии, кроме потребляемого электричества. Таким источником обычно является теплый воздух или вода, нагретые Солнцем или геотермальными процессами.

Электроэнергия в устройстве не тратится непосредственно на нагрев, а тратится на «концентрацию» энергии источника низкопотенциального тепла, как правило обеспечивая энергией работу компрессора. Т.е тепловой насос имеет два источника энергии  — электричество и источник низкопотенциального тепла, а расчеты не учитывают второй источник, и получаются значения больше единицы.

Уравнение

Уравнение имеет вид:

где

• 
  Q - представляет собой полезное тепло, подаваемое или отводимое рассматриваемой системой (машиной).
  

• 
  W>0 - это чистая работа, вложенная в рассматриваемую систему за один цикл.
  

Требования к нагреву и охлаждению различны, потому что интересующий тепловой резервуар отличается. Когда кто-то интересуется тем, насколько хорошо охлаждается машина, КПД - это отношение тепла, поглощаемого из холодного резервуара, к входной работе.

Однако для нагрева КПД (COP) представляет собой отношение величины тепла, отдаваемого горячему резервуару (которое представляет собой тепло, поглощаемое из холодного резервуара плюс входная работа), к входной работе:



где

• 
  - отводится ли тепло из холодного резервуара и добавляется ли оно в систему;
  
• 
  - это тепло, отдаваемое горячему резервуару; оно теряется системой и, следовательно, отрицательно.
  

Обратите внимание, что КПД теплового насоса зависит от его направления. Тепло, отводимое к горячему радиатору, больше, чем тепло, поглощаемое от источника холода, поэтому коэффициент нагрева на единицу больше, чем коэффициент охлаждения.

Типы тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).
В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на :

1) Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод)

а) замкнутого типа
горизонтальные
Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,2 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

вертикальные

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

водные

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоёме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешёвый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоёме для конкретного региона.

С непосредственным теплообменом 

В отличие от предыдущих типов, хладагент компрессором теплового насоса подаётся по медным трубкам, расположенным:

Вертикально в скважинах длиной 30 м и диаметром 80 мм

Под углом в скважинах длиной 15 м и диаметром 80 мм

Горизонтально в грунте ниже глубины промерзания

Циркуляция хладагента компрессором теплового насоса и теплообмен фреона напрямую через стенку медной трубы с более высокими показателями теплопроводности обеспечивает высокую эффективность и надёжность геотермальной отопительной системы. Также использование такой технологии позволяет уменьшить общую длину бурения скважин, уменьшая таким образом стоимость установки DX Direct Exchange Heatpump.


б) открытого типа
Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

2) Воздушные (источником отбора тепла является воздух) Используют в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии воздух. Причем источником теплоты может быть не только наружный (атмосферный) воздух, но и вытяжной вентиляционный воздух (общеобменной или местной) вентиляции зданий.

3) Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

Теоретические пределы производительности

Согласно первому закону термодинамики, после полного цикла процесса и, таким образом .
Поскольку мы получаем

Для теплового насоса, работающего с максимальной теоретической эффективностью (т.е. эффективностью Карно), можно показать что
и таким образом ,
где и - термодинамические температуры горячих и холодных тепловых резервуаров соответственно.

При максимальной теоретической эффективности, следовательно

,
который равен обратной величине тепловой эффективности идеального теплового двигателя, поскольку тепловой насос - это тепловой двигатель, работающий в обратном направлении.

В Европе стандартные условия испытаний для наземных теплонасосных установок используют 35°C (95°F). Согласно приведенной выше формуле, максимальное теоретическое значение будет равно


Результаты испытаний лучших систем составляют около 4,5. При измерении установленных агрегатов в течение всего сезона и учете энергии, необходимой для прокачки воды по трубопроводам, сезонные COP для отопления составляют около 3,5 или меньше. Это указывает на возможности для дальнейшего совершенствования.

Список литературы

• 
  Копп О. А., Семененко Н. М. Геотермальное отопление. Тепловые насосы. // Научно-методический электронный журнал «Концепт», 2017.
  
• 
  Лунева С. К., Чистович А. С., Эмиров И. Х. К вопросу применения тепловых насосов. // Журнал «Технико-технологические проблемы сервиса», 2013.
  
• 
  Fermi, E. (1956). Thermodynamics. Dover Publications (still in print). p. 48. eq.(64).
  
• 
  Depart of Energy Advanced Manufacturing office. Paper DOE/GO-102012-3413. January 2012