Оценка эффективности работы теплового насоса

Тепловой насос реализует обратный термодинамический цикл Карно, перенося теплоту от менее нагретого тела к более нагретому.Рассмотрим теоретический парокомпрессионный цикл в тепловой диаграмме p – h (рис. 10.4). Рабочее тело получает высокое давление в результате сжатия в компрессоре. Линия 1 – 2 соответствует изэнтропийному сжатию сухого пара. В точке 2 пар становится перегретым. Поэтому в следующем изобарическом процессе в начале, до точки 2 ´´ происходит отдача тепла с понижением температуры и только после этого начинает конденсироваться пар. В связи с этим конденсатор должен быть рассчитан на прием перегретого пара. Между точками 2 ´´ и 3 происходит конденсация пара при постоянной температуре Т_к. Адиабатическое расширение изображается на р – h диаграмме вертикальной прямой 3 – 4, что является преимуществом такой диаграммы, так как для расчета цикла необходимо знать состояния рабочего тела только на входе в компрессор и на выходе из него.

p

2´

2´´

pкр

h3

h'2

h1

h2

h

Рисунок 10.4 – парокомпрессионный цикл в тепловой диаграмме p – h (р – давление; h – удельная энтальпия)

Эффективность такого цикла меньше, чем у цикла Карно из - за необратимости процесса расширения.

Оценку эффективности работы теплового насоса производят с помощью коэффициента преобразования КОП. Рассчитать коэффициент преобразования можно, также пользуясь тепловой диаграммой.

Пренебрегая потерей давления при теплообмене, изменение энтальпии в конденсаторе и соответствующую точку 3 находят по пересечению изобары конденсации с левой пограничной кривой.

Коэффициент проебразования для реального цикла теплового насоса:

, (10.2)

где (h₂ – h₃) – изменение энтальпии рабочего агента в конденсаторе;

(h₂ – h₁) – увеличение энтальпии рабочей жидкости в испарителе.

Т.е, для реального цикла теплового насоса коэффициент преобразования КОП определяется отношением количества теплоты, отданной в конденсаторе Q_конд источнику высокого потенциала, к затраченной работе компрессора W_компр.

. (10.3)

Изэнтропический КПД компрессора, в соответствии с диаграммой p –h, равен отношению энтальпий (рис. 10.4):

, (10.4)

где (h₂ – h₁) – приращение энтальпии рабочего агента в результате сжатия его в компрессоре;

(h'₂ – h₁) - приращение энтальпии рабочего агента при идеальном изэнтропическом сжатии.

КОП показывает, во сколько раз тепловой насос преумножает тепло. Но КОП не отражает того факта, что передача энергии в форме работы представляет бóльшую ценность, чем передача энергии в форме тепла.

Любая тепловая машина позволяет преобразовать в работу лишь часть тепла, получаемого от топлива и эффективность ее работы оценивается термическим КПД η_т.

Поэтому оценку эффективности работы ТН следует производить по коэффициенту первичной энергии КПЭ, который учитывает не только КОП, но и КПД преобразования первичной энергии в работу привода компрессора. Определяется КПЭ отношением полезного тепла Q_пол, получаемого от теплового насоса, к энергии первичного топлива W_перв, затраченной на привод теплового насоса

. (10.5)

При использовании теплового насоса для отопления или теплоснабжения КПЭ показывает, насколько выгоднее тепловой насос по сравнению с обычным водогрейным или паровым котлом, а также по сравнению с огневым нагревом.

Самыми распространенными являются тепловые насосы с приводом от электродвигателей. Их коэффициент преобразования в условиях насосных и компрессорных станций магистральных трубопроводов может составить КОП = 5 … 5,6. Это хорошо видно из табл. 10.3. С увеличением температуры низкопотенциального источника увеличивается величина КОП и КПЭ.

.