Дійсний теплонасосний цикл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дійсний теплонасосний цикл. Компресійні теплові насоси

Найбільше поширення одержали ТН, у яких здійснюється парокомпресійний цикл. Вони називаються компресійними ТН. До такого кругового циклу близький цикл Карно. Уперше подібна система була застосована Перкінсоном в 1834 році для виробництва холоду, і потім впроваджена в промислову експлуатацію на великих установках із застосуванням як робочої речовини аміаку. Після 1945 р. із впровадженням галогенірованих вуглеводів у якості так званого безпечного хладоагента почалося широке виробництво домашніх і промислових холодильників, а також кондиціонерів.

У парокомпресіонному ТН циклі детандер замінений простим дроселем (регулюючим вентилем), тому що, з одного боку, продуктивність детандера невелика, а з іншого боку - вартість установки з--за його значно зростає.

Щоб запобігти усмоктуванню рідини, стиск починається в точці 1 на правій граничній кривій при змісті пари * = 1.

Рис. 1 Цикл парокомпресійного теплового насосу і принципова схема

На схемі: / - конденсатор; 2 - регулюючий вентиль; 3 - компресор; 4 - випарник

Робоча речовина (хладоагент) перетерплює наступні зміни стану:

1-2 - ізоентропний стиск сухої насиченої пари хладоагента з витратою зовнішньої роботи и>, що має площу на діаграмі е-4-3-2-1-5-6;

2-4 -- відвід теплоти перегрітої пари 2-3 і конденсація хладоагента 3-4 з відводом корисного тепла, площа е--4-3-2-7;

4-5 - ізоентальпійне розширення (дроселювання) хладоагента;

5-І - випар хладоагента при поглинанні теплоти від джерела ^0, обумовлений площею 6-5-1-7.

Такий круговий цикл застосовують у холодильних машинах і ТН у якості ідеального термодинамічного циклу. На противагу циклу Карно, що протікає між температурою джерела тепла Тч і температурою робочого тіла 7д (зовнішні умови), внутрішній круговий цикл ТН (з метою забезпечення необхідного температурного напору для передачі тепла) повинен здійснюватись в інтервалі температур Те й Тк.

Звичайно переохолодження хладоагента здійснюється в конденсаторі, що збільшує підведення теплоти у випарник <у0 і відвід теплоти в конденсаторі </к. Такий круговий цикл із переохолодженням представлений на діаграмах 75.

Рис. 2. Цикл теплового насосу з переохолоджуванням (процес 4- 5) на діаграмах 7> та \%{рп

Потік теплоти, підведений до випарника від джерела теплоти 00, потік корисної теплоти Qк, відведений від конденсатора, і потужність Ри, підведена до компресора, можуть бути безпосередньо розраховані за допомогою питомих ентальпій, прийнятих по \%{р п діаграмі

де /йад - кількість хладоагента, що циркулює в ТН.

Розрахунок коефіцієнта перетворення спрощується, якщо використати значення ентальпії, які знімають безпосередньо з діаграми

Іншою важливою величиною, яка відбиває зв'язок необхідної теплової потужності з необхідною витратою циркулюючого хладоагента, що дозволяє підібрати компресор, конденсатор і випарник, є так звана об'ємна теплова потужність (об'ємна теплопродуктивність), Дж/м3

де і'| - об'ємна витрата хладоагента, усмоктуваного компресором; у|-питомий об'ємний потік хладоагента в стані /.

Подальше зниження температури хладоагента 5-5* може бути досягнуте за допомогою внутрішнього теплообмінника. У такому теплообміннику конденсат (рідкий хладоагент) переохолоджується, віддаючи теплоту холодній парі, що надходить із випарника, а пара перегрівається. Має місце залежність И{* - Л, - И5 - И5*.

Рис. 3. Схема теплового насосу з регенеративним переохолоджувачем: Пе -- внутрішній теплообмінник; К- конденсатор; Др- регулюючий вентиль; Кр -- компресор; В - випарник

Перегрів веде до збільшення кінцевої температури стиску, граничне значення якої залежить від використовуваного мастила, і в результаті збільшення різниці питомих ентальпій для корисної теплоти на величину Ні*- Ні- Коефіцієнт перетворення збільшується відповідно до

Практичні відхилення:

* у реальних умовах роботи компресора стиск відбувається не ізоентропно, а залежно від конструкції компресора - частіше політропно, причому для подолання внутрішнього опору потоку в компресорі й зовнішнього в напірному трубопроводі потрібно більше високий тиск порівняно з тиском конденсатора; при проходженні потоку через конденсатор тиск зменшується, для його відновлення компресор повинен затратити додаткову роботу;

* у рідинному трубопроводі від конденсатора до регулюючого вентиля також зменшується тиск, і в цьому випадку при температурі хладоагента, що перевищує температуру навколишнього середовища, теплота віддається в атмосферу;

* розширення в регулюючому вентилі відбувається по лінії h = const;

* при проходженні через випарник тиск хладоагента зменшується, внаслідок чого зменшується тиск у випарнику;

* у трубопроводі від випарника до компресора тиск продовжує зменшуватися, і при температурі хладоагента нижче температури навколишнього середовища з нього поглинається теплота.

Максимальный коефіцієнт перетворення (КОП) ідеального цикла Карно, наприклад, при температурі нагрітої води 65 °С і температурі подаваної у випарник води 35°С може скласти:

парокомпресійний тепловий насос компресор

КОПк = TL І (Тн - TL) +1 = (273 + 35)/(65 - 35)+ 1 = 11,3.

На практиці, виходячи з дослідних даних, температури випару й конденсації можна прийняти: Ти ~ 75 °С и 7^= 15 °С. Відзначимо, що у випарнику потрібна більша різниця температур, оскільки, щоб одержати корисну теплоту, вода, що скидається, повинна бути охолоджена від 35 °С до рівня 20 °С.

Разом з тим, у реальному циклі із хладогентом фреон Я 12 величина КОП значно нижче й складе - 3,29, а з обліком механічного ККД компресора, що потребує витрати додаткової роботи, і того менше (повний КОП =3,29-0,95= 3,13). Величина КОП відображає міру корисності теплового насоса як вироблення значної кількості тепла при витраті порівняно малої роботи. Ідеальним був би привід теплового насоса за рахунок енергії вітру або гідроенергії, але це не завжди можливо.

Одноступінчастий цикл роботи компресійного ТН стає менш ефективним з ростом співвідношення рк/р0 через збільшення втрат у компресорі й зниження коефіцієнта подачі. У холодильних машинах при співвідношенні тиску рк/р0 >7 звичайно переходять на двоступінчастий цикл. З обліком більш низьких експлуатаційних витрат, але більш високої вартості двоступінчастої установки, її можна рекомендувати при тривалому терміну служби як варіант, що знижує загальну вартість навіть при співвідношенні тисків меншому ніж 7. Звичайно цей висновок ставиться й до ТН.

Зниження різниці питомих ентальпій у компресорі на величину (/72. -/?4) впливає на коефіцієнт перетворення в меншому ступені, чим зменшення кількості підведеної енергії компресора; у принципі коефіцієнт перетворення двоступінчастого процесу - більш високий (на 10...25 %).

Размещено на Allbest.ru