Тепловые насосы. Учебное пособие

второму началу термодинамики, самопроизвольно такой процесс идти не может, поэтому для действия ХМ необходимо подвести энергию извне – посредством​ со-

вершения работы l или подвода теплоты q (рис. 3).

От охлаждаемого тела (холодной среды) отводится теплота q2, которую называют холодопро-

изводительностью. К горячей (окружающей) среде подводится теплота

Именно эти неравенства и позволяют реализовать идею ТН. Подавляющее большинство ХМ, используемых в настоящее время, является парокомпрессионными холодильными машинами

(ПКХМ). В них рабочее тело (хладагент), находящееся в состоянии пара, сжимается и нагревается до температуры большей, чем температурагорячей(окружающей)среды,апоэтомуможетпередать среде теплоту q1.

Рассмотрим устройство простейшей ПКХМ, схема которой представлена на рис. 4.

ВПКХМ хладагент циркулирует по замкнутому герметичному контуру.

Виспарителе (И) хладагент кипит при пониженном давлении

инизкой температуре. От холодной среды отводится теплота q2, равная теплоте парообразования, а часть хладагента из жидкости переходит в пар. Этот пар отсасывается Км, сжимается в нем, нагреваясь выше температуры окружающей среды, и поступает в конденсатор (Кд) – ​теплообменник, в котором теплота q1 передается воде или воздуху. На сжатие и нагрев хладагента

11

расходуется внешняя работа l, которую совершает двигатель (Дв) (как правило, электрический). Сконденсированный хладагент продавливается через регулирующий вентиль (РВ) под действием разности давлений в Кд и И. Данный процесс называют дроссе- лированием. Это необратимый адиабатный процесс расширения рабочеготелабезсовершенияработы.Придросселированиивсег- да снижается давление, а вот температура для разных рабочих тел и разных начальных и конечных параметров состояния меняется по-разному.

Таким образом, общая схема ХМ (см. рис. 3) для ПКХМ имеет вид, показанный на рис. 5. Штриховая линия на рис. 4 и 5 разде-

ляет сторону высокого давления (СВД) и сторону низкого давления

(СНД), присутствующие вкаждой ПКХМ (кроме выключенной). В качестве хладагентов для ПКХМ используют аммиак, двуокись углерода, а также фтор-, хлор- и бромпроизводные углеводороды (фреоны). Подробнее о хладагентах речь пойдет в п. 1.7, пока же отметим, что в цикле ПКХМ хладагент меняет агрегатное состояние от кипящей жидкости до перегретого пара. Рабочие процессы ПКХМ представляют в тепловой (T, s) диаграмме состояний и в специальной «холодильной» диаграмме (p, h). Их схемы с указанием того, как идут изолинии давления, температу-

ры и пр., представлены на рис. 6.

12

Сначала изобразим цикл ПКХМ в T, s – диаграмме​ состояний (рис. 7). Сжатие в Км (процесс 1–2) близко к адиабатному. В точке 2 пар хладагента перегрет значительно выше температуры конденсации. В Кд он вначале переходит в состояние насыщения, а затем конденсируется в изобарном процессе 2–3, достигая в точке 3 состояния насыщенной жидкости. Далее хладагент проходит через регулирующий вентиль (РВ) – местное​ гидравлическое сопротивление, на котором давление хладагента падает, а он переходит в состояние влажного пара низкого давления (точка 4). Ранее такой процесс назван дросселированием.

На малых пределах давлений dp и температур dT процесс дрос-

селирования характеризует дифференциальный дроссель-эффект:

а при изменении давления от p1 до p2 – ​интегральный дроссель-

эффект:

Кипение

q2

Холодный теплоноситель

Рис. 5. Принцип действия ПКХМ

13

Влажный пар

h

Рис. 6. Тепловая (а) и p-h-диаграмма​ (б) для хладагентов ПКХМ

14

4 1

s

Рис. 7. Цикл ПКХМ в T-s-диаграмме

Установлено, что оба эффекта могут быть положительными, нулевыми или отрицательными:

αh 0; ∆T 0.

Индекс h означает, что, согласно первому началу термодинамики, энтальпия рабочего тела до и после дросселирования одинакова, поэтому кривую необратимого процесса дросселирования на диаграммах состояний проводят условно и выделяют штриховой линией, которая идет по изоэнтальпам (h = const). На T-s-

иp-h-диаграммах изоэнтальпы идут так, как показано на рис. 8.

ВПКХМ используют хладагенты и реализуют режимы дроссе-

лирования,прикоторых αh >0,T2 –​T1 <0:температурахладагента всегда снижается.

Важно помнить, что площадь под кривой 3–4 (рис. 7) неэквива-

лентнатеплотепроцесса3–4:дросселированиепроходитадиабат- но, его теплота равна нулю.

Теплоту q1 = q2–3 и q2 = q4–1 по диаграмме T, s определить можно, но делать это неудобно, поскольку требуется планиметриро-

вать площади под кривыми 2–3 и 4–1 (рис. 7). Работу Км оценить по этой диаграмме нельзя.

Именно поэтому в холодильной технике получила широкое распространение p-h-диаграмма, цикл ПКХМ на ней показан

15

на рис. 9. В данном случае величины q1, q2 и l представлены отрезками, поэтому можно найти их значения:

Рис. 8. Ход линий h = const на диаграммах T, s (а) и p, h (б)

32

Рис. 9. Цикл ПКХМ в p-h-диаграмме

16

Эффективность цикла ПКХМ характеризует холодильный коэф-

фициент, отношение холодопроизводительности кработе сжатия:

Значение ε зависит от свойств хладагента и температур его кипения и конденсации.

1.4. Совершенствование схем и циклов

Описанные в п. 1.3 схема и цикл ПКХМ имеют два существенных недостатка.

В компрессор поступает сухой насыщенный пар хладагента. На практике удержать его состояние на пограничной кривой трудно: например, при возрастании тепловой нагрузки холодопроизводительность q2 снижается, начинается бурное вскипание жидкости, капли попадают во всасывающий коллектор компрессора. Частицы жидкости вызывают при сжатии гидроудар, что может привести к аварии. При работе на влажном паре детали компрессора быстро изнашиваются.

Кроме того, хладопроизводительность ПКХМ определяется энтальпией хладагентов на выходе из конденсатора h3. Если точка3 (см. рис.7, 9) лежит напограничной кривой жидкости, торазность энтальпий (h1 – ​h4)являетсямаксимальной.

Для устранения первого недостатка необходимо подавать на всасывание компрессора перегретый пар. Подогрев обеспечивают, вводя в схему ПКХМ промежуточный теплообменник (ТО)

(рис. 10).

Из схемы следует, что

h3ʹ – h​ 3 = h1 – h​ 1ʹʹ,

массовая теплоемкость жидкости намного выше, чем пара, поэтому

T1 – T​ 1ʹʹ > T3ʹ – T​ 3,

обеспечить перегрев пара на всасывании достаточно просто.

17

теплота конденсации тоже:

q1 = h2 – ​h3ʹ.

Вторую проблему решить сложнее. Если увеличить площадь теплообмена в конденсаторе или интенсифицировать теплообмен, то точку 3 на диаграмме p-h можно сдвинуть влево, но такие меры требуют экономического обоснования: стоимость конденсатора и/или эксплуатационные затраты возрастут, их надо сопоставить с выгодой от увеличения холодопроизводительности q2 или тепловой нагрузки (производительности) ТН q1.

Если горячий теплоноситель используют для водоснабжения, то он существенно снижает свою температуру. Переохлаждение

18

Рис. 11. Схема (а), T-s-диаграмма и p-h-диаграмма (б) для ПКХМ с перегревом пара и переохлаждением жидкости

хладагента возможно в дополнительном теплообменнике-пере- охладителе (ТП).

Схема ПКХМ с ТП, ее цикл в T-s- и p-h-диаграммах представлены на рис. 11. Здесь ТО по-прежнему не влияет на q2 и q1, а ТП увеличивает их на отрезки 3ʹ–3a и 40–4a соответственно:

q2 = (h1ʹʹ – ​h40) + (h40 – ​h4а) = h1ʹʹ – ​h4a;

q1 = (h2 – ​h3ʹ) + (h3ʹ – ​h3а) = h2 – ​h3а.

Расчет всех параметров цикла ПКХМ рассмотрим в п. 2.

1.5. Тепловой насос

Теперь понятно, в чем состояла идея Томсона. В традиционной ХМ верхний температурный уровень соответствует окружающей среде (воде или воздуху), а нижний поддерживается с помощью теплоизоляции (испаритель помещают в теплоизолированную холодильную камеру). В ТН нижний температурный уровень соответствуетокружающейсреде,аверхний–температуре​ теплоносителя, используемого для теплоснабжения.

19

Другими словами, цикл ХМ сдвинут на диаграмме вверх, смысл его реализации не в том, чтобы отвести теплоту от холодной среды, а в том, чтобы подвести ее к горячей. Тепловой насос можно сравнить с повышающим трансформатором: напряжение (аналог температуры) повышается, а закон сохранения энергии не нарушен.

Поскольку в работе ТН нужно эффективно нагревать горячий теплоноситель, то и показателем эффективности холодильный коэффициент служить не может.

Используют коэффициент преобразования теплоты

ψ = ql1 = q2l+l =ε+1,

который всегда больше единицы. В данном случае идея У. Томсона выражена предельно наглядно.

Другое дело, что «взять и сдвинуть» цикл ПКХМ не удается. Дело в первую очередь в свойствах хладагентов. Важно, в частности, достичь высоких температур конденсации при умеренных давлениях, иначе усложнится конструкция компрессора и вырастут затраты энергии на его привод.

1.6. Хладагенты тепловых насосов

Чаще всего хладагентами ТН являются фреоны – ​органические вещества, состоящие из атомов углерода (С), водорода (Н), хлора (Cl), фтора (F) и брома (Br). Их обозначают буквой R (Refrigerant) и набором цифр, характеризующих структуру молекулы. Изомеры производных этана «добавляют» к обозначению фреона буквы a, b, c.

Предполагается, хотя и не доказано, что некоторые фреоны разрушают озоновый слой в верхних слоях атмосферы: они легче воздуха, при утечках поднимаются на высоту 15–50 км. Монреальский протокол выделил группу озонобезопасных фреонов, непереход на которые обеспечивают штрафами и санкциями. Большинство таких фреонов представляют смеси из двух-трех

20