Termodynamika · Pompy ciepła
Pompy ciepła i chłodziarki — poziom rozszerzony
Jak działa pompa ciepła i chłodziarka
Ciepło samorzutnie przepływa od cieplejszego ciała do chłodniejszego. Pompa ciepła zużywa pracę , aby przenosić ciepło w przeciwną stronę: pobiera z chłodnego otoczenia i oddaje do ogrzewanego wnętrza.
Chłodziarka działa na tej samej zasadzie, ale jej użytecznym efektem jest odebranie ciepła z chłodzonej przestrzeni. W pełnym cyklu czynnik roboczy wraca do stanu początkowego, więc jego zmiana energii wewnętrznej wynosi zero.
Jak działa pompa ciepła i chłodziarka
Silnik cieplny pobiera ciepło ze źródła ciepłego, oddaje do chłodnicy i wykonuje pracę . Pompa ciepła pracuje w przeciwnym kierunku: otrzymuje pracę i przenosi ciepło ze źródła chłodnego do ciepłego.
Na wykresie idealny obieg silnika jest zgodny z ruchem wskazówek zegara, a obieg chłodziarki lub pompy — przeciwny. Różnica kierunku odpowiada różnicy znaku pracy.
Obieg czynnika roboczego
W typowej sprężarkowej pompie ciepła czynnik krąży przez cztery elementy:
- **Parownik:** czynnik pobiera ciepło z dolnego źródła i paruje.
- **Sprężarka:** praca elektryczna zwiększa ciśnienie i temperaturę czynnika.
- **Skraplacz:** czynnik oddaje ciepło do ogrzewanego układu i skrapla się.
- **Zawór rozprężny:** obniża ciśnienie i temperaturę czynnika przed powrotem do parownika.
Czynnik roboczy przenosi energię między źródłami; sprężarka dostarcza pracę potrzebną do tego procesu.
Obieg czynnika roboczego
W parowniku czynnik paruje i pobiera energię z chłodnego otoczenia. W skraplaczu skrapla się i oddaje energię do ogrzewanego układu. Przy przemianie fazowej czystej substancji pod stałym ciśnieniem temperatura w przybliżeniu się nie zmienia.
Energię wymienioną przy zmianie stanu skupienia opisuje , gdzie jest masą czynnika, a — ciepłem właściwym przemiany w . Przemiany fazowe pozwalają przenosić dużo energii. Pompa nie wytwarza energii: pobiera ciepło z otoczenia i zużywa pracę.
Bilans energii i współczynnik COP
W pełnym cyklu czynnik wraca do stanu początkowego. Z bilansu energii wynika:
Współczynnik efektywności ogrzewania określa stosunek ciepła oddanego do pracy dostarczonej:
Wielkości , i muszą dotyczyć tego samego czasu pracy i być podane w tych samych jednostkach. COP może być większy od jedności, ponieważ pompa przekazuje do wnętrza także ciepło pobrane z otoczenia.
Bilans energii i współczynnik COP
Dla chłodziarki użytecznym efektem jest ciepło odebrane z chłodzonej przestrzeni:
Z bilansu wynika zależność:
W obu współczynnikach w mianowniku znajduje się ta sama praca dostarczona do urządzenia. W liczniku wybierz efekt, który jest potrzebny: przy ogrzewaniu albo przy chłodzeniu.
Bilans energii i współczynnik COP
Moc opisuje szybkość przekazywania energii. Jeśli urządzenie działa przez czas , to energia elektryczna i przekazane ciepło wynoszą:
Wynika stąd , i .
Przy mocy w kilowatach i czasie w godzinach energię otrzymasz w kilowatogodzinach. Pamiętaj, że moc grzewcza opisuje oddawane ciepło, a moc elektryczna — energię pobieraną z sieci.
Granica Carnota i rzeczywisty COP
Największy możliwy COP dla odwracalnej pompy pracującej między chłodnym źródłem o temperaturze i ciepłym źródłem o temperaturze wyznacza odwrócony cykl Carnota:
Temperatury i muszą być wyrażone w kelwinach. Rzeczywiste urządzenie ma niższy COP, ponieważ występują w nim straty i procesy nieodwracalne.
Przy stałej temperaturze ciepłego źródła obniżenie temperatury chłodnego źródła zwiększa różnicę temperatur i obniża graniczny COP.
Granica Carnota i rzeczywisty COP
Różnica temperatur źródeł wynosi . Przy stałej temperaturze ciepłego źródła mniejsza różnica daje wyższy teoretyczny COP, a większa — niższy. W praktyce wyższa wymagana temperatura ogrzewania lub niższa temperatura dolnego źródła obniża COP pompy.
Rzeczywisty COP zmniejszają między innymi tarcie, opory przepływu i straty elektryczne. Współczynnik doskonałości porównuje rzeczywisty COP z granicą Carnota. Jeśli jest podany, można użyć .
Jak porównywać tryb grzania i chłodzenia
W trybie grzania użytecznym skutkiem jest , więc . W trybie chłodzenia użytecznym skutkiem jest , więc . Zmiana wybranego efektu zmienia licznik współczynnika.
W bilansie obie energie cieplne odnoszą się do różnych źródeł. Nie zamieniaj ich miejscami i porównuj wielkości z tego samego przedziału czasu.
Ciepło przekazane do ogrzewanego układu
Ciepło oddane do wody może zwiększać jej energię wewnętrzną. Dla masy wody , ciepła właściwego i zmiany temperatury :
Jeżeli pompa nie przekazuje całego ciepła do wody, część energii trafia do otoczenia; wtedy trzeba uwzględnić sprawność lub straty podane w opisie urządzenia.
W energii elektrycznej, cieple i czasie używaj zgodnych jednostek. Moc razy czas daje energię, a sam COP nie jest sprawnością zamiany energii.
Ciepło przekazane do ogrzewanego układu
Ten sam układ może pracować jako chłodziarka albo pompa ciepła. Gdy oceniamy chłodzenie, liczymy , bo liczy się ciepło odebrane z chłodnej przestrzeni. Gdy oceniamy ogrzewanie, liczymy , bo liczy się ciepło oddane do ciepłego wnętrza.
Z bilansu cyklu wynika, że .
Ciepło przekazane do ogrzewanego układu
Przy stałej temperaturze ogrzewanego wnętrza obniżenie temperatury dolnego źródła zwiększa różnicę . Z tego powodu maleje maksymalny COP grzania pompy:
Wartości i w tym wzorze podawaj w kelwinach. W rzeczywistym urządzeniu COP jest jeszcze niższy od granicy Carnota.