4. Реальний парокомпресійний цикл теплового насоса

Робочі цикли теплового насоса, розглянуті вище, дещо ідеалізовані. Хоча в них і враховувалися практичні обмеження, пов'язані з необхідністю стиснення тільки сухого пара, а також відсутність розширювальної машини, проте передбачалося, що ККД всіх елементів дорівнює 100%. Розглянемо тепер, ніж реальний тепловий насос відрізняється від ідеального.

Головним компонентом теплового насоса є компресор. Як вже було сказано, компресор повинен стискати тільки сухий пар і робоче тіло до входу в компресор має бути кілька перегріто. Перегрів створює зону безпеки для зменшення потрапляння крапель рідини в компресор. Це досягається ціною деякого збільшення компресора, оскільки він повинен стискати більш розріджений пар при тому ж масовій витраті. Більш серйозна проблема полягає у підвищенні температури на виході з компресора, яка обмежується стійкістю вихлопних клапанів.

Інше істотне відхилення від ідеалізованого циклу визначається ККД компресора. З-за теплообміну між робочим тілом і компресором і незворотності течії всередині компресора підвищення ентальпії в ньому більше, ніж в ідеалізованому циклі, що також підвищує вихідну температуру. Підвищення ентальпії оцінюється ізоентропічним ККД компресора. На практиці поршневі компресори мають ізоентропічний ККД близько 70%. Зазначимо, що ізоентропічне стиснення вимагає мінімальної роботи при неохолоджуваному компресорі. Роботу можна знизити шляхом його охолодження, але оскільки завданням теплового насоса є віддача тепла при високій температурі, таке охолодження невигідно або фактично неможливо.

Існують ще два показники ефективності компресора в тепловому насосі: механічний ККД (показує, яка частка роботи, підведеної до валу компресора, віддана робочого тіла - зазвичай він дорівнює 95%) і об'ємний ККД, який не впливає на СОР, а на капіталовкладення в обладнання, так як визначає розміри компресора (його значення також в районі 95%).

Втрати є і в інших елементах робочого циклу, а не тільки в компресорі. Коли робоче тіло проходить через теплообмінник, тиск дещо падає, наслідком чого є відхилення від ізотермічних умов при теплообміні. Фактично відхилення зазвичай не перевищує 1 градуса. Воно проявляється як у випарнику, так і в конденсаторі.

Розглянемо на прикладі реальний парокомпрессионниє цикл теплового насоса, в якому в якості холодоагенту використовується фреон R-134а.

Парокомпресійний цикл теплового насоса з використанням холодоагенту R-134а в діаграмі

Розрахуємо СОР для теплового насоса, в якому використовується холодоагент R-134a.

По-перше, необхідно вибрати температури випаровування та конденсації холодоагенту. Вони залежать від розмірів теплообмінників.

Приймемо температури випаровування та конденсації рівними - Твип=8°С і Тконд=40°С.

Зображення циклу завжди починається зі стиснення. Приймемо, що перегрів пари на вході в компресор (т. А на малюнку вище) складає 5°С, тоді температура перед компресором буде складати ТА=13°С.

В точці А питома ентальпія дорівнює

.

Провівши по ізоентропі лінію до перетину з ізобарою 1,5 МПа, що відповідає температурі конденсації 40°С, отримаємо умови на виході з компресора в точці В з питомою ентальпією

.

Реальні умови на виході з компресора в точці З розраховуються за допомогою ізоентропійного ККД:

,

звідки випливає, що при (для поршневого компресора)

ентальпія в точці С становить

.

Зміна ентальпії в конденсаторі і відповідну точку D при

,

знаходимо на перетині ізобари конденсації з лівої прикордонної кривої, нехтуючи при цьому падінням тиску при теплообміні.

В точку Е прийдемо шляхом дроселювання (при постійній ентальпії) рідкого холодоагенту до початкових параметрів.

Таким чином, для реального циклу коефіцієнт перетворення COP визначається по залежності

Крім того, слід пам'ятати про механічний ККД компресора, який вимагає витрати додаткової роботи. Отже, повний коефіцієнт перетворення (трансформації) COP теплового насоса становить

Оскільки тепловий насос досить складний пристрій, що має сучасну автоматику, не намагайтеся зробити його своїми руками! Крім того, ви повинні розуміти, що не достатньо просто купити тепловий насос, система потребує правильного розрахунку, кваліфікованих проектировщиках і якісному монтажі.