Тепловые насосы

ЦИКЛ С МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПРЕССИЕЙ ПАРА

С целью приближения к простому циклу Карно, а фактически это значит — с целью создания практически полезного теплового насоса, необходимо стремиться к подводу тепла при условиях, близких к изотермическим. Для этого подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла. Сжатие пара, как правило, требует, чтобы пар был сухим, что вызвано особенностями механики большинства компрессоров (см. гл. 3). Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жид­кости в компрессор может вообще вывести его из строя (если не приняты предохранительные меры, например подпружиненная го­ловка цилиндра).

Цикл с механической компрессией пара и его изображение на Т—S (температура — энтропия) диаграмме показаны на рис. 2.3.

Рассмотрим цикл только с сухой компрессией пара и расшире­нием в дроссельном клапане. Этот клапан представляет собой либо регулируемое сопло или отверстие, либо капиллярную труб­ку. Выбор между ними определяется требованиями в регулирова­нии. Отсутствие расширительной машины в цикле означает, что некоторое количество полезной работы теряется и КОП уменьша­ется. Как правило, это оправдано тем, что стоимость расшири­тельной машины не окупается полученной па ней работой [1]. Про­цесс расширения в сопле необратим, он показан пунктиром па T—S диаграмме (см. рис. 2.3). Обычно он рассматривается как адиабатический, т. е. проходящий без подвода или отвода тепла при расширении рабочего тела.

Теперь продемонстрируем цикл другим способом, с помощью широко применяемой па практике для парокомпрессионных цик­лов диаграммы давление — удельная энтальпия (p—h), что пока­зано на рис. 2.4. Далее в главе будет использоваться только такая диаграмма.

Этот рисунок следует рассмотреть внимательно. Сжатое рабо­чее тело под высоким давлением покидает компрессор в точке 1. Поскольку на вход в компрессор поступал только сухой пар и благодаря наклону линий постоянной энтропии, в точке 1 пар пе­регрет. Прежде чем пар начнет конденсироваться в точке 2, его следует охладить при постоянном давлении. Между точками 2 и 3 происходит конденсация при постоянной температуре (если пет утечек пара). Отсюда видно, что теплообменпый аппарат, в кото­ром происходит конденсация (конденсатор), всегда должен быть рассчитан иа прием перегретого пара. Адиабатическое расшире­ние изображается на р—h диаграмме вертикальной прямой 3—4, и в этом одна из причин удобства такой диаграммы. Для расчета цикла необходимо зиать состояния рабочего тела только на входе в компрессор и выходе из него. Остальное изображается прямыми линиями. Испарение происходит при постоянных давлении и тем­пературе между точками 4 и 5. Следует отметить, что расширение происходит фактически в смеси жидкости и пара. Входящая в ис­паритель смесь содержит значительную долю пара, иногда до 50% по массе, и эта доля рабочего тела, естественно, уже не участвует в процессе испарения и поглощения тепла. Между точками 5 и 1 происходит изоэнтропийное сжатие сухого пара. На практике его реализовать нельзя, но здесь мы рассматриваем идеализирован­ный цикл. Его эффективность меньше, чем у цикла Карно, из-за необратимости процесса расширения.

Подчеркнем второе важное преимущество р—h диаграммы. Поскольку на горизонтальной оси откладывается энтальпия, она допускает прямой отсчет Qh, Ql и W. Простое соотношение Qh = Ql + W из диаграммы очевидно. В то же время диаграмма позволяет сразу оценить значение КОП. Для получения высокого КОП значение Qh должно быть велико, a W (работа сжатия) должна быть мала. Пригодность того или иного рабочего тела можно быстро оценить при взгляде на его р—h диаграмму [2].

Описанный парокомпрессионный цикл одинаков и для теплово­го насоса и для холодильной машины. Его часто называют обрат­ным циклом Ренкипа или, менее точно, просто циклом Ренкина. В действительности цикл Ренкина относится к процессу в паровых турбинах при выработке электроэнергии. На Т—S диаграмме он шютекает по часовой стрелке, включая испарение и конденсацию. Подчеркнем два различия между циклом Ренкина и механическим парокомпрессионным. Первое состоит в направлении: цикл Ренки­на— это энергетический цикл, отдающий мощность при расшире­нии пара в турбине. Второе различие в том, что в цикле Ренкина сжимается 100% жидкости. Действительно, обратимым по отно­шению к циклу Ренкина был бы цикл с расширительной машиной, а не с необратимым расширением в дросселе. На практике, одна­ко, разница не очень существенна.