Цикл із механічною компресією пари
З метою наближення до простого циклу Карно, а фактично це значить - з метою створення практично корисного теплового насоса, необхідно прагнути до підведення тепла при умовах, близьких до ізотермічного. Для цього підбираються робочі тіла, що змінюють агрегатний стан при необхідних температурах і тисках. Вони поглинають тепло при випаровуванні й віддають при конденсації. Ці процеси утворюють ізотерми циклу. Стиск пари, як правило, вимагає, щоб пара була сухою, що викликано особливостями механіки більшості компресорів. Влучення рідини разом з парою на вхід компресора може ушкодити його клапани, а надходження великої кількості рідини в компресор може взагалі вивести його з ладу (якщо не вжиті запобіжні заходи, наприклад підпружинення голівки циліндра).
Цикл із механічною компресією пари і його зображення на Т-S діаграмі показані на рис.
Парокомпресійний цикл. 1 - випарник; 2 - компресор; 3 -приводний двигун; 4 - конденсатор; 5 - дросельний клапан; 6 - погранична крива.
Процес розширення в соплі необоротний, він показаний пунктиром на Т-S діаграмі. Зазвичай він розглядається як адіабатичний, тобто минаючий без підведення або відводу тепла при розширенні робочого тіла.
Робота відбувається фактично в суміші рідини й пари. Вхідна у випарник суміш містить значну частку пари, іноді до 50% по масі, і ця частка робочого тіла, природно, уже не бере участь у процесі випару й поглинання тепла. Між точками 5 і 1 відбувається ізоентропійний стиск сухої пари. На практиці його реалізувати не можна, але тут ми розглядаємо ідеалізований цикл. Його ефективність менше, ніж у циклу Карно, через необоротність процесу розширення.
Описаний парокомпресійний цикл однаковий і для теплового насоса й для холодильної машини. Його часто називають зворотним циклом Ренкіна або, менш точно, просто циклом Ренкіна.
Для оцінки різних теплонасосних систем із приводом компресора за рахунок різних палив або джерел енергії застосовують коефіцієнт первинної енергії (КПЕ). Він ураховує не тільки КОП, але й ККД перетворення первинної енергії (нафта, газ, вугілля або сонячне тепло) у роботу привода компресора. КПЕ особливо важливий при розгляді теплових насосів, до яких підводиться тільки тепло. У їхніх комбінованих схемах не завжди можна розрізнити потоки тепла й роботи. Визначення КПЕ таке:
Можна дати й інше визначення КПЕ, коли для привода компресора використовується теплова машина з термічним ККД ηТ:
Абсорбційний цикл
Абсорбційний тепловий насос містить випарник і конденсатор, які працюють точно так само, як у парокомпресійному циклі.
Теплота підводиться до випарника, викликаючи кипіння хладоагента при низькому тиску. Корисне тепло відводиться від конденсатора, усередині якого відбувається конденсація при високому тиску. Однак в абсорбційному циклі використовується додатковий контур, у якому тече рідкий абсорбент, або розчинник. Хладоагент, що випарувався, поглинається рідиною при низькому тиску. Потім рідина спеціальним насосом перекачується в область високого тиску, де відбувається підведення тепла, і незважаючи на високий тиск, пари хладоагента виділяються з рідини. Оскільки суміш рідкого абсорбенту й хладоагента практично нестислива, витратами потужності на насос можна знехтувати й джерелом первинної енергії є тільки теплота, що підводиться до генератора пари, що завжди має максимальну температуру циклу. Теплота, що виділилася в абсорбері, підсумовується з теплом від конденсатора, тому КОП циклу завжди більше одиниці.
Як і всі інші цикли, цей цикл можна зрівняти з ідеальним циклом Карно.
Абсорбційний цикл Карно.
ТG і QG — температура й тепловий потік генератора; TA і QA — абсорбера; Тс і Qc — конденсатора; QE і ТЕ — випарника.
Узагальнена діаграма р-Т-х.
Абсорбційний тепловий насос - це просто теплова машина, об'єднана з тепловим насосом; його характерні температури указані на рис. При цьому
Реальні цикли в деяких аспектах відрізняються від описаного, тому що пари хладоагента й розчинника спеціально підбираються із сильною взаємною спорідненістю. Вимоги до властивостей робочих тіл такі:
1) значна спорідненість для одержання великих змін концентрацій у розчинах;
2) високе значення летючості для підвищення ККД генератора;
3) помірний робочий тиск, що визначає тиск парів хладоагента;
4) хімічна стабільність для запобігання розкладання в генераторі.
Абсорбційний цикл широко застосовується для кондиціювання повітря й охолодження із двома парами хладоагент - розчинник: аміак - вода й вода - бромистий літій. Обидві пари речовин мають ряд переваг, але при використанні в теплових насосах також і істотні недоліки, зазначені нижче:
Аміак - вода
1. Оскільки як аміак, так і вода дають пару в генераторі, потрібно рефлюкс-конденсатор для поділу потоків.
2. Аміак дає пару занадто високого тиску (близько 2 МПа при 50°С).
3. Пари аміаку помітно токсичні, що вимагає певних заходів безпеки.
4. Аміак викликає корозію міді, і її не можна застосовувати в теплообмінній апаратурі.
Вода - бромистий літій
1. Ефективність циклу обмежується початком кристалізації, що визначає досяжну концентрацію.
2. Вода як хладоагент має дуже низький тиск пари, тому весь цикл проходить при тиску нижче атмосферного.
3. Вода замерзає при 0° С, тому випарник не може працювати при більше низьких температурах. Це виключає застосування абсорбційного теплового насоса при використанні низькопотенційного тепла повітря.
Досліджено багато інших комбінацій, серед яких виявилися перспективними хладоагенти R21 або R22 з органічними розчинниками. Недоліком фторвуглецевих хладоагентів є більш низька стабільність при високих температурах генератора. Вони схильні до розкладання.