3.1.3. Принцип действия компрессионных тепловых насосов
В тепловом насосе теплота передается от более холодного к более нагретому потоку (в сторону увеличения температуры). В силу II – го закона термодинамики такая передача в компрессионном тепловом насосе невозможна без затрат механической мощности. Поэтому кроме теплообменных аппаратов компрессионный тепловой насос содержит компрессор с электрическим или другим приводом.
В качестве рабочего тела в тепловом насосе используется низкокипящая жидкость (изобутан, пентан и др.), температура которой повышается от Ти до необходимого уровня Тк в цикле путем копримирования (рис. 10.3)
Теплонасосная установка (рис. 10.3б) включает в себя испаритель И – теплообменник, в котором за счет подведения теплоты от среды с низким температурным потенциалом происходит испарение рабочей жидкости, пары которой поступают в компрессор КМ, где за счет совершения механической работы привода они уплотняются, объем их уменьшается, а давление и температура увеличиваются. После этого пары рабочего тела поступают в конденсатор К – теплообменник, в котором происходит отдача тепла от паров в нагреваемую среду, в результате чего происходит конденсация паров рабочего тела. Для регенерации конденсат проходит через дроссельный вентиль ДВ, в котором, в результате внезапного расширения происходит увеличение объема, но падение давления и температуры. Температура жидкости уменьшается от уровня Тк до Ти. Рабочее тело становится вновь способным воспринимать теплоту от теплового источника с низким температурным уровнем.
2 3
Тк 3 2
Ти 4 1
4 1
S
а) |
б) |
Рис. 10.3. Цикл в T-S диаграмме (а) и принципиальная схема (б) компрессионного теплового насоса:
Тк , Ти – температуры конденсации и испарения рабочего тела; S – энтропия; К – конденсатор; И – испаритель; КМ – компрессор; ДВ – дроссельный вентиль.
Об эффективности теплового насоса можно судить по коэффициенту преобразования Коп, который отражает тот факт, что с уменьшением разности температур испарения Ти и конденсации Тк термодинамическая эффективность цикла теплового насоса увеличивается.
Для идеального цикла теплового насоса величина КОП максимальна:
, (10.1)
где Ти и Тк – соответственно абсолютные температуры испарения и конденсации рабочего тела, К.
3.1.4. Рабочие агенты компрессионных теплонасосных установок и их свойства
В теплонасосных установках, в качестве рабочего тела, используются холодильные агенты с нормальной температурой кипения tsн = -30…+80 С.
Использование привычных нам фреонов и азеотропных смесей, как озоноразрушающих, запрещено Монреальским протоколом в 1987 г. и Киотским протоколом, как вызывающих глобальное потепление, запрещено в 1997 г.. Поэтому, в настоящее время, в тепловых насосах используются природные хладагенты, которые имеют не только нулевой озоноразрушающий потенциал ODP = 0, но и минимальный, почти нулевой, потенциал глобального потепления GWP = 0…3 (табл. 10.2), т.е., они соответствуют выполнению условия "double zero" и являются экологически безопасными.
Таблица 10.2 – "Природные" хладагенты
-
Обозначения
Формула
tsн, оС
tкр, оС
Ркр10-5,
Па
ODP
GWP
Диоксид углерода
R711
СО2
-78,47
31,05
73,83
0
1
Аммиак R717
NH3
-33,3
132,2
113,4
0
0
Пропан R290
С3Н8
-42,38
96,7
42,48
0
3
Изобутан R600a
СН(CH3)3
-11,9
134,7
36,4
0
3
Н-Бутан
С4Н10
-0,88
152,0
37,96
0
3
Пентан
С5Н12
197,0
32,4
0
Пропилен R1270
С3Н6
-47,7
91,8
46,1
0
3
Воздух
-
-194,6
-40,6
37,9
0
0
Эффективность использования природных хладагентов в теплонасосных установках не ниже эффективности фреонов. Кроме того, они обладают рядом преимуществ:
- природные хладагенты технологичны, широкодоступны, менее дорогие, производство их не монополизировано, сохраняется практически без изменения сервисная служба.
- природные хладагенты являются экологически безопасными;
- пропадает необходимость рециркулирования и уничтожения хладагентов, обязательная для синтетических хладагентов по стандартам ISO;
Из углеводородов чаще используется изобутан. Высокая критическая температура и низкие давления в цикле способствуют созданию бесшумной, эффективной и безопасной системы.
Природные хладагенты, в отличие от синтетических, токсичны, пожаро- и взрывоопасны, имеют резкий запах. Поэтому требуют специального пожаровзрывобезопасного исполнения оборудования, максимальной герметичности систем, обязательным оснащением их мощной вентиляцией, сигнализацией и т. д.
Минимизировать количество природного хладагента, обладающего потенциально опасными свойствами, можно, применяя бинарные системы с промежуточными хладоносителями. Для этого можно использовать растворы формиата калия и ацетата калия, которые имеют лучшие свойства, чем растворы хлорида кальция.
В качестве теплоносителя или рабочего тела можно использовать азеотропный 80-ти %-й водный раствор н-пропанола, который является хорошим антифризом, т.к. не замерзает при температуре 40 °С.