2. Обзор типов тну

Теплонасосные установки по виду энергии, подводимой для повышения температурного уровня хладагента, делятся на три группы [9]:

• с механическим приводом

• Компрессионные теплонасосные циклы

• Парокомпрессионный теплонасосный цикл

• Газокомпрессионный теплонасосный цикл

• с тепловым приводом

  • Компрессионный теплонасосный цикл с приводом от теплового двигателя

  • Сорбционные теплонасосные циклы

    • Абсорбционный теплонасосный цикл

    • Резорбционный теплонасосный цикл

  • Струйные теплонасосные циклы

• с электрическим приводом

  • Термоэлектрический теплонасосный цикл.

Наибольшее распространение в настоящее время получили теплонасосные установки, выполненные по парокомпрессионному теплонасосному циклу. Рассмотрим их применение более подробно.

1.1.4. Идеальный термодинамический цикл компрессионной тну

Рис. 1 – 6. Схема теплонасосной установки, работаю­щей легкокипящей жидкостью. Д – дроссельный вентиль; И – испаритель; К – кон­денсатор; КР – компрессор; ПО – переохладитель; , – температура теплопотребителя на входе и выходе в ТНУ; , – температура низкопотенциального источника теплоты на входе и выходе в ТНУ;

Рис. 1 – 7. Эталонный обратный цикл КТНУ, работающей на низкокипящих веществах, в T-S диаграмме.		Рис. 1 – 8. Эталонный обратный цикл КТНУ, работающей на низкокипящих веществах, в lg(P)-I диаграмме.

Схема установки, работающей легкокипящими жидко­стями: аммиаком, фреонами и другими веществами — пока­зана на рис. 1 – 6, а теоретический (эталонный) цикл этой установки – на рис. 1 – 7 и 1 – 8.

Процесс работы КТНУ выглядит следующим образом [12]:

Компрессор Кр всасывает су­хой пар и сжимает его адиаба­тически. После отдачи тепла перегрева, конденсации и пе­реохлаждения в конденсаторе К и в переохладителе ПО жидкость проходит через регулирующий (дроссельный) вентиль Д в испаритель И. Па­дение давления при прохо­де дроссельного вентиля со­провождается и падением тем­пературы до значениятемпературы окружающей среды Т_с, а в действительности – до температуры более низкой. В испари­теле И при кипении рабочее вещество отнимает тепло от источника низкого потенциала; в конце процесса кипения образуется сухой пар, который снова всасывается компрес­сором. В теоретическом случае тепло, получаемое при совершении обратного кругового процесса, изображается площадями 1’ – 2 – x – x’– 1’, x’ – x –3 – 3’ –x’ и 3’ – 3 – 4 – 4’ – 3’ (рис. 1 – 7), а тепловой эквивалент затрачивае­мой работы – площадью контура 1’ –2 – x – 3 – 4 – 4’ – 1’. Наиболее ценное тепло (при наиболее высокой температуре) полу­чается при отнятии от агента тепла перегрева (площадь 1’ – 2 – x – x’– 1’), наименее ценное — при отнятии тепла переохлаждения (площадь 3’ – 3 – 4 – 4’ – 3’).

На рис. 1 – 7 наиболее низкой температурой, при которой происходит отнятие тепла от рабочего тела, является тем­пература в точке 4. Но в некоторых случаях (например, горячее водоснабжение) возможно и более полное исполь­зование тепла переохлаждения. При этом эффективность цикла теплового насоса будет более высокой, так как при той же затрате работы будет получено большее количество теп­ла. В случаях, когда теп­ло переохлаждения аген­та вовсе не может быть попользовано, полезным теплом надо считать толь­ко тепло перегрева и теп­ло конденсации; коэффи­циент преобразования бу­дет иметь здесь меньшее значение.

Если учесть возможность осуществления переохлажде­ния агента для уменьшения потерь от дросселирования, а также и то, что во многих случаях теплоснабжения это тепло может быть полезно использовано, то при необходи­мости после подогрева сообщать тепло при постоянной температуре в качестве образца будет целесообразно при­нимать цикл с переохлаждением до температуры, близкой к температуре среды.

Для уменьшения потери от необратимого теплообмена с источником повышенного потенциала выгодно применение многоступенчатого сжатия с промежуточ­ным охлаждением агента, которое в пределе приведет к изотермическому участку в области перегретого пара. Такой образцовый цикл паровой теплонасосной установки изображен в T – S - диаграмме на рис. 2-4 (контур 1 – 2 – x – 3 – 4 – 5 – 1). Изотермический процесс 1 – 2 в области перегрева можно представить только как предельный, когда число ступеней сжатия стремится к бесконечности. Только тогда совокуп­ность отрезков адиабат 2 – 2’ и изобар 2’ – x’ может быть при­нята за изотерму 2 – x .

Рис. 1 – 9. Образцовый цикл парового теплового насоса

Если же по условиям теплоснабжения имеется возможность производить отдачу тепла при пере­менной температуре, то нет основания стремиться к изотермическому уча­стку 2 – x; здесь уже мно­гоступенчатое сжатие из­лишне и в качестве образ­ца должен быть принят цикл c переменной темпе­ратурой в процессе отня­тия тепла от рабочего агента.

В случаях, когда тепловой насос по условиям работы должен отдавать тепло при постоянной температуре и, сле­довательно, тепло по линии 3 – 4 не может быть полезно отдано вовне, целесообразно производить регенеративный теплообмен.

Сухой пар перед всасыванием в компрессор может быть подогрет за счет переохлаждения жидкого агента. Этот регенеративный подогрев изображается на рис. 1 – 9 отрез­ком изобары 1 - a.

Принципиальная схема регенеративного цик­ла с двухступенчатым сжатием показана на рис. 1 – 10. Теп­ло, отдаваемое тепловым насосом, складывается из суммы тепла, отнятого в охладителе О и конденсаторе К (в послед­нем отдается как тепло перегрева, так и тепло конденса­ции). В обоих аппаратах тепло отдается при температурах, превышающих Т.

В регенераторе ПО конденсат охлаждается за счет подо­грева пара. После прохода дроссельного вентиля Д парожидкостная смесь поступает в испаритель И, где при кипе­нии происходит отнятие тепла от окружающей среды.

Тепловой расчет аппаратов и расчет компрессоров, в частности, определение объемной потребной производитель­ности, ничем специфическим не отличается от подобного расчета холодильных машин и аппаратов; эти методы по­дробно изложены в литературе по холодильной технике [2,24]. Укажем только, что обычный для тепловых на­сосов диапазон температур создает чаще всего более благоприятные условия в смысле объемных потерь, чем для холодильных машин, так как отношение температуры конденсации к температуре испарения в тепловых насосах обычно меньше, чем в холодильных машинах.

Рис. 1 – 10. Схема установки регенератора. К – конденсатор; КР1, КР2 – 1-я и 2-я ступени компрессора; И – испаритель; О – охладитель; Д – дроссельный вентиль; Р - регенератор

Определенной спецификой для теплонасосной установки, как это указывалось выше, является то обстоятельство, что температура и давление конца сжатия в компрессоре пре­вышают таковые в холодиль­ных компрессорах. Это мо­жет вызвать эксплуатацион­ные и конструктивные труд­ности, особенно при приме­нении наиболее употреби­тельного в холодильной тех­нике агента — аммиака, так как для него температура конца сжатия значительно превышает температуру кон­денсации. В связи с этим, например, применение обыч­ных для холодильной техни­ки конструкций аммиачных компрессоров в теплонасосной установке чаще всего невозможно; также возникают и трудности со смазкой, так как применение обычных масел в связи с высокими темпера­турами конца сжатия недопустимо из-за возможности их окисления и коксования.

Турбокомпрессоры в этом смысле более благоприятны, чем поршневые компрессоры.

Степень совершенства цикла, а следовательно, и сте­пень совершенства теплонасосной установки существенно зависят от потерь при сжатии агента в компрессоре и от термодинамических свойств рабочего вещества.