Dampfkompressionszyklus – Kältekreislauf
Die Dampfkompression verwendet ein zirkulierendes flüssiges Kältemittel als Medium (normalerweise R134a ), das Wärme aus dem zu kühlenden Raum aufnimmt und abführt und diese Wärme anschließend an eine andere Stelle abgibt. Die Abbildung zeigt ein typisches einstufiges Dampfkompressionssystem . Das typische Dampfkompressionssystem besteht aus vier Komponenten:
- Kompressor
- Kondensator
- Expansionsventil (auch Drosselventil genannt)
- Verdampfer
In einem idealen Dampfkompressionszyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier Prozessen: ein isentropischer (reversibler adiabatischer) Prozess, ein Drosselungsprozess, der sich mit zwei isobaren Prozessen abwechselt:
- Isentropische Kompression (Kompression im Kolbenkompressor) – Ein zirkulierendes Kältemittel wie R134a tritt als Niederdruckdampf mit oder geringfügig unter der Temperatur im Inneren des Kühlschranks in einen Kompressor ein. Das gasförmige Medium wird von Zustand 1 zu Zustand 2 durch einen Kolbenkompressor (oder durch Kreiselpumpen) auf einen relativ hohen Druck und eine relativ hohe Temperatur adiabatisch komprimiert. Die Umgebung wirkt auf das Gas ein, indem sie seine innere Energie (Temperatur) erhöht und es komprimiert (Druck erhöht). Andererseits bleibt die Entropie unverändert. Die für den Kompressor erforderliche Arbeit ergibt sich aus W C = H 2 – H 1 .
- Isobare Wärmeabgabe (in einem Kondensator) – Der überhitzte Dampf strömt unter Druck durch Spulen oder Rohre, aus denen der Kondensator besteht. In dieser Phase durchläuft das Kältemittel den Kondensator, in dem das Kältemittel kondensiert und Wärme vom Kältemittel in die Umgebung des Kühlers übertragen wird. Die abgegebene Nettowärme ergibt sich aus Q re = H 3 – H 2 . Wenn das Kältemittel den Kondensator verlässt, steht es immer noch unter Druck, befindet sich jedoch nur geringfügig über Raumtemperatur.
- Isenthalpischer Prozess (Expansion in einem Expansionsventil) – Das Kältemittel in Zustand 3 tritt in das Expansionsventil ein und expandiert auf den Verdampferdruck. Dieser Vorgang wird üblicherweise als Drosselvorgang modelliert, bei dem die Enthalpie konstant bleibt. H 4 = H 3 . Der plötzliche Druckabfall führt zu einer explosionsartigen Flash-Verdampfung eines Teils (typischerweise etwa der Hälfte) der Flüssigkeit. Die latente Wärme, die durch diese Entspannungsverdampfung absorbiert wird, wird größtenteils aus dem angrenzenden noch flüssigen Kältemittel bezogen, einem Phänomen, das als Autokühlung bekannt ist .
- Isobare Wärmezugabe ( in einem Verdampfer ) – Das kalte und teilweise verdampfte Kältemittel wird durch die Spulen oder Rohre der Verdampfereinheit weitergeführt. In dieser Phase (zwischen Zustand 4 und Zustand 1) findet eine Wärmeübertragung mit konstantem Druck von einer externen Quelle auf das flüssige Medium statt, da die Kammer zum Ein- und Ausströmen offen ist. Während das Kältemittel den Verdampfer durchläuft, führt die Wärmeübertragung aus dem Kühlraum zur Verdampfung des Kältemittels. Die hinzugefügte Nettowärme ergibt sich aus Q add = H 1 – H 4
Während eines Dampfkompressionszyklus wird von den Pumpen zwischen den Zuständen 1 und 2 ( isentropische Kompression ) an der Flüssigkeit gearbeitet . Die Flüssigkeit leistet keine Arbeit, da der Prozess zwischen den Stufen 3 und 4 isenthalpisch ist. Das Arbeitsfluid in einem Dampfkompressionszyklus folgt einem geschlossenen Kreislauf und wird ständig wiederverwendet.
Leistungskoeffizient – Wärmepumpe, Kühlschrank, Klimaanlage
Im Allgemeinen ist die thermische Effizienz , η th , ein Wärmekraftmaschine als das Verhältnis der Arbeits es tut, W , an den Wärmeeingang bei der hohen Temperatur, Q H .
Der thermische Wirkungsgrad , η th , stellt den Anteil an Wärme , Q H , die konvertiert wird , zu arbeiten .
Bei Wärmepumpen und Kühlschränken ist die Arbeit jedoch keine Ausgabe. Bei einer Kälte- oder Wärmepumpe gibt der thermische Wirkungsgrad an, inwieweit die durch Arbeit hinzugefügte Energie in Nettowärmeleistung umgewandelt wird. Aus wirtschaftlicher Sicht ist der beste Kältekreislauf einer, der die größte Wärmemenge aus dem Inneren des Kühlschranks (Kältespeicher) für den geringsten Aufwand an mechanischer Arbeit oder elektrischer Energie abführt . Das relevante Verhältnis ist daher, je größer dieses Verhältnis ist, desto besser ist der Kühlschrank. Wir nennen dieses Verhältnis den Leistungskoeffizienten , der mit COP bezeichnet wird .
Der Leistungskoeffizient , COP, definiert auch für Wärmepumpen, aber an diesem Punkt folgen wir dem Netz Wärme auf das heiße Reservoir zugesetzt. Der COP überschreitet normalerweise 1, insbesondere bei Wärmepumpen, da nicht nur Arbeit in Wärme umgewandelt wird, sondern zusätzliche Wärme von einer Wärmequelle dorthin gepumpt wird, wo die Wärme benötigt wird.
Im Allgemeinen hängt COP stark von den Betriebsbedingungen ab, insbesondere von der absoluten Temperatur und der relativen Temperatur zwischen Kühlkörper und System.
Leistungskoeffizient – Kühlschrank, Klimaanlage
Der Leistungskoeffizient , COP , einen Kühlschrank als die aus dem kalten Reservoir Q entfernt Wärme definiert ist kalt , (dh in einem Kühlschrank) durch die Arbeit W unterteilte die Wärme (dh der durch den Kompressor geleistete Arbeit) durchgeführt zu entfernen.
Wie zu sehen ist, ist der Kühlschrank umso besser (effizienter), wenn für eine bestimmte Menge an Arbeit mehr Wärme Q Kälte aus dem Inneren des Kühlschranks abgeführt werden kann. Da der erste Hauptsatz der Thermodynamik auch in diesem Fall gültig sein muss (Q kalt + W = Q heiß ), können wir die obige Gleichung umschreiben:
Für einen idealen Kühlschrank (ohne Verluste und Irreversibilitäten) kann Folgendes abgeleitet werden:
Diese Formeln werden auch für eine Klimaanlage angewendet , die sehr ähnlich wie ein Kühlschrank funktioniert.
Andererseits sind die COP zum Heizen und Kühlen unterschiedlich.
Leistungskoeffizient – Wärmepumpe
Zum Heizen ist der COP das Verhältnis der dem System zugeführten Wärme (heißer Speicher). Unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik definieren Sie COP auch als die dem Kältespeicher entzogene Wärme plus die Eingangsarbeit zur Eingangsarbeit.
Für eine ideale Wärmepumpe (ohne Verluste und Irreversibilitäten) kann Folgendes abgeleitet werden:
Beachten Sie, dass diese Gleichungen eine absolute Temperaturskala (T kalt , T heiß ) verwenden müssen und es sich nur um einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad handelt . Gemäß der obigen Formel wäre der maximal erreichbare COP für T heiß = 35 ° C (308 K) und T kalt = 0 ° C (273 K) 8,8. In Wirklichkeit liegen die besten Systeme jedoch bei 4,5.
Wie zu sehen ist, kann der COP eines Wärmepumpensystems durch Verringern der Temperaturdifferenz (T heiß – T kalt ) verbessert werden . Daher ist die Reduzierung der Ausgangstemperatur (T hot ) sehr effizient, erfordert jedoch eine sehr effiziente Wärmeübertragung vom Wärmepumpensystem in die Umgebung (dh Verwendung von Rohrboden). Eine Erhöhung der Eingangstemperatur (T kalt ) bedeutet beispielsweise eine übergroße Bodenwärmequelle.
Beispiel – Wärmepumpe – Heizung und Klimaanlage
Eine reversible Wärmepumpe hat einen Leistungskoeffizienten von COP = 3,0 , wenn sie im Heizmodus betrieben wird . Sein Kompressor verbraucht 1500 W elektrische Energie.
- Berechnen Sie die Wärmemenge ( Q hot ), die die Wärmepumpe einem Raum hinzufügen kann?
- Wenn die Wärmepumpe zum gedreht wurde Kühlmodus (dh als eine Klimaanlage im Sommer zu handeln), was würden Sie erwarten , dass seine Leistungszahl sein? Angenommen, alles andere bleibt gleich und vernachlässigen Sie alle anderen Verluste.
Lösung:
Aus der COP , die definiert ist als:
Die Wärmemenge, die die Wärmepumpe einem Raum hinzufügen kann, entspricht:
Q heiß = COP- Erwärmung x B = 3 x 1500 = 4500 W oder 4500 J / s
Im Kühlmodus kann die Wärmepumpe (Klimaanlage) mit 1500-W- Motor die Wärme Q kalt aus dem Inneren des Hauses aufnehmen und dann Q hot = 4500 W nach außen ablassen. Unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, der besagt:
Q kalt + W = Q heiß ,
erhalten wir die Wärme, Q kalt = 3000 W . Aus der Definition: COP- Kühlung = 3000/1500 = 2 .
Beachten Sie, dass wir in diesem Beispiel viele Annahmen haben. Zum Beispiel haben wir angenommen, dass die Temperaturdifferenz (T heiß – T kalt ) für beide Modi gleich ist. Wir haben jedoch die Reservoire getauscht, ohne dass dies Auswirkungen auf die COP hat. Es ist nur ein anschauliches Beispiel.
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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.
