ヒートポンプの動作原理。スキーム、説明

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ヒートポンプの動作原理。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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ヒートポンプの動作原理は、カルノーの研究と、1824 年に彼の論文で発表されたカルノーサイクルの説明に基づいています。実用的なヒートポンプシステムは、1852 年にウィリアムトムソン (ケルビン卿) によって提案されました。乗算器を使用し、冷凍機を暖房目的に効果的に使用する方法を示しました。それでもトムソン氏は、自分の提案を正当化する際に、エネルギー資源が限られているため暖房用ストーブで燃料を継続的に燃焼させることができないこと、また、彼の熱増幅器は従来のストーブよりも燃料消費量が少ないことを指摘した。トムソンが提案したヒートポンプ (HP) は、作動流体として空気を使用しました。周囲の空気はシリンダー内に吸い込まれ、膨張して冷却され、熱交換器を通過し、そこで外気によって加熱されます。大気圧まで圧縮された後、シリンダーからの空気は加熱された部屋に入り、周囲温度を超える温度まで加熱されます。実際、同様の機械がスイスでも販売されていました。トムソン氏は、彼の HP は加熱に費やされるエネルギーのわずか 3% を使用して必要な熱を提供できると述べました。

ヒートポンプユニットがさらに発展したのは、20 世紀の 30 年代から 20 年代になってからであり、周囲の空気の熱を利用して暖房と給湯を行うように設計された最初の設備がイギリスで作成されました。その後、米国で作業が始まり、いくつかの実証プラントの設立につながりました。

ヨーロッパ初の大型ヒートポンププラントは、1938 年から 1939 年にかけてチューリッヒで稼働しました。川の水の熱、ロータリーコンプレッサー、冷媒を利用しました。市庁舎に温度60度の水で暖房を提供しました。°Cは175kWの電力で発生します。ピーク負荷をカバーするために電気ヒーターを備えた蓄熱システムがありました。夏の間、ユニットは冷房のために運転されました。 1939 年から 1945 年にかけて、国内の石炭消費量を削減するために、さらに 9 か所の同様の施設が建設されました。中には 30 年以上にわたって正常に運用されているものもあります。

そのため、1824 年にカルノーはプロセスを説明するために初めて熱力学サイクルを使用しました。このサイクルは、熱力学サイクルとの比較や HP の効率評価の基本的な基礎となっています。ヒートポンプは、逆転した熱エンジンと考えることができます。熱機関は、高温源から熱を受け取り (図 1.1.1)、それを低温で放出し、有用な仕事を提供します。ヒートポンプには、低温で熱を生成し、高温で熱を放出する仕事が必要です。

ヒートポンプの動作原理
図 1.1.1。ヒートポンプとヒートエンジンの熱力学図：1 - ヒートポンプ。 2 - 熱機関。

これらの機械の両方が可逆的である場合 (つまり、熱力学的プロセスに熱や仕事の損失が含まれない場合)、それぞれの効率には有限の制限があり、どちらの場合もこれが比率であることがわかります。 Qн/W. そうでなければ、ある機械を別の機械に接続するだけで永久機関を構築することができるでしょう。熱機関の場合のみ、この比は W/Qн の形式で表され、熱効率と呼ばれます。ヒートポンプの場合は、Qн/W の形式のままで、熱変換係数 (Kt) と呼ばれます。

熱が温度TLで等温的に供給され、温度THで等温的に除去され、一定のエントロピーで圧縮と膨張が実行されると仮定すると（図1.1.2）、仕事は外部エンジンから供給され、そのときの変換係数は次のようになります。カルノーサイクルは次の形式になります。

Kt \ u1d TL /（TN-TL）+ XNUMX \ uXNUMXd TN /（TN-TL）

ヒートポンプの動作原理
Pic.1.1.2

したがって、これより優れたパフォーマンスを持つヒートポンプは存在せず、実際のサイクルはすべて、この限界にできるだけ近づけるという要望のみを実現します。

他の記事も見る セクション代替エネルギー源.

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