O princípio de funcionamento de uma bomba de calor. Esquema, descrição

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O princípio de funcionamento de uma bomba de calor. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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O princípio de funcionamento de uma bomba de calor decorre dos trabalhos de Carnot e da descrição do ciclo de Carnot, publicada em sua dissertação em 1824. Um sistema prático de bomba de calor foi proposto por William Thomson (Lord Kelvin) em 1852. fins de aquecimento. Ao justificar sua proposta, ainda assim, Thomson apontava que os limitados recursos energéticos não permitiriam a queima contínua de combustível em fornos para aquecimento e que seu multiplicador de calor consumiria menos combustível que os fornos convencionais. A bomba de calor (HP) proposta por Thomson usava ar como fluido de trabalho. O ar ambiente era sugado para dentro do cilindro, expandia-se à medida que esfriava e depois passava por um trocador de calor, onde era aquecido pelo ar externo. Após ser comprimido à pressão atmosférica, o ar do cilindro entra na sala aquecida, sendo aquecido a uma temperatura acima da ambiente. De fato, uma máquina semelhante foi implementada na Suíça. Thomson afirmou que seu HP é capaz de produzir o calor necessário usando apenas 3% da energia usada para aquecimento.

As instalações de bombas de calor foram desenvolvidas apenas nas décadas de 20 e 30 do século XX, quando a primeira instalação projetada para aquecimento e abastecimento de água quente usando o calor do ar circundante foi criada na Inglaterra. Depois disso, os trabalhos começaram nos EUA, levando à criação de várias plantas de demonstração.

A primeira grande fábrica de bombas de calor na Europa foi comissionada em Zurique em 1938-1939. Usava o calor da água do rio, um compressor rotativo e um refrigerante. Forneceu aquecimento da prefeitura com água com temperatura de 60°C a uma potência de 175 kW. Havia um sistema de armazenamento de calor com um aquecedor elétrico para cobrir a carga de pico. Durante os meses de verão, a unidade funcionava para resfriamento. No período de 1939 a 1945, foram criadas mais 9 dessas instalações, a fim de reduzir o consumo de carvão no país. Alguns deles operam com sucesso há mais de 30 anos.

Então, em 1824, Carnot usou pela primeira vez o ciclo termodinâmico para descrever o processo, e esse ciclo continua sendo a base fundamental para comparar com ele e avaliar a eficiência do HP. Uma bomba de calor pode ser considerada como um motor térmico invertido. A máquina térmica recebe calor (Fig. 1.1.1) de uma fonte de alta temperatura e o descarrega em baixa temperatura, gerando trabalho útil. Uma bomba de calor requer trabalho para gerar calor em baixas temperaturas e liberá-lo em temperaturas mais altas.

Princípio de funcionamento da bomba de calor
Fig.1.1.1. Diagrama termodinâmico de uma bomba de calor e um motor térmico: 1 - bomba de calor; 2 - motor térmico.

Pode-se mostrar que, se ambas as máquinas são reversíveis (ou seja, processos termodinâmicos não contêm perdas de calor ou trabalho), então há um limite finito para a eficiência de cada uma delas e, em ambos os casos, essa é a razão Qí/ C. Se não fosse assim, seria possível construir uma máquina de movimento perpétuo simplesmente conectando uma máquina à outra. Somente no caso de uma máquina térmica, essa relação é escrita na forma W/Qn e é chamada de eficiência térmica, enquanto para uma bomba de calor ela permanece na forma Qn/W e é chamada de coeficiente de conversão térmica (Kt).

Se assumirmos que o calor é fornecido isotermicamente na temperatura TL e isotermicamente removido na temperatura TH, e compressão e expansão são realizadas em entropia constante (Fig. 1.1.2), o trabalho é fornecido por um motor externo, então o coeficiente de conversão para o Carnot ciclo ficará assim:

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

Princípio de funcionamento da bomba de calor
Figura.1.1.2

Assim, nenhuma bomba de calor consegue ter um desempenho melhor, e todos os ciclos práticos apenas concretizam o desejo de chegar o mais próximo possível deste limite.

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