Теплонасос

ДВОЙНОЙ ЦИКЛ РЕНКИНА

Как отмечалось в § 2.3, термином «цикл Ренкина» иногда обоз­начается и энергетический цикл, и парокомпрессионный. Если тепловая машина, работающая по циклу Ренкина, применяется для привода теплового насоса, то получается схема, которую мож­но назвать двойным циклом Ренкина. Такая комбинация особенно интересна, когда в двух контурах можно использовать одинаковое рабочее тело.

Двойной цикл Ренкина показан на рис. 2.8 вместе с его изо­бражением на р—h диаграмме. В нем используется рабочее тело R11—хладоагент низкого давления, удобный для ротационных машин. Такой же цикл можно создать и на основе поршневых компрессора и двигателя, но поскольку он предназначен для отопления жилищ, менее шумные ротационные машины применя­ются шире.

Точками а, Ь, с, d обозначен парокомпрессионный цикл, а точ­ками а, Ь, е, Ї — энергетический. Хладоагент адиабатически сжи­мается от Ъ до е с помощью небольшого гидравлического насоса

При затрате пренебрежимо малой работы, так как жидкость прак­тически несжимаема. Такой насос используется и в абсорбцион­ных машинах, он будет подробнее описан в § 2.8. Между состоя­ниями е и f за счет внешнего сгорания подводится тепло в тепло­обменнике, который можно назвать котлом. Максимальная темпе­ратура в точке f ограничивается термической стойкостью хладо - агента и масла, а не термодинамикой. Этот предел ограничивает КПЭ цикла. Между f и а рабочее тело расширяется, производя работу, которая затрачивается на привод компрессора. Как сжа­тие, так и расширение здесь характеризуются изоэнтропическим

КПД 0,75.

Фактически тепловой насос состоит из двух отдельных циклов, но объединенных для простоты. Имеется только один общий кон­денсатор, а обе ротационные машины идентичны и соединены об­щим валом.

Пренебрегая некоторыми деталями, проведем грубую оценку возможной величины КПЭ. Здесь имеются три потока массы Ме, Мс и Мь, соответствующих трем уровням давления в системе (в испарителе, конденсаторе и котле соответственно):

(hg—hb) Мс

(hf—he)Mb

Приравнивая работу расширительной машины и компрессора, имеем

(hf-ha)Mb = (ha-hd)Mc. Наконец, из закона сохранения материи

Мс~Мв+Мь.

Решение этих трех уравнений дает следующее выражение для КПЭ:

КПЭ = hf~~ha _[_ ]

Ha—hi hf~he

Используя значения, соответствующие обычному отоплению, мож­но построить график рис. 2.9, где в качестве рабочего тела принят R11, максимальная температура цикла 110° С и изознтропический КПД 0,75.

Для реализации такого комбинированного цикла в США пред­ложены ротационные компрессоры с лопатками нового типа, поз­воляющими работать без масла [2].

В Англии предложена система, в которой расширение и сжатие объединены еще более тесно в двухполостной ротационной маши­не. Она сконструирована с минимумом вращающихся частей для снижения капиталовложений и затрат на обслуживание. Англий­ская система рассчитана на сжигание газа (рис. 2.10), а амери­канская — на солнечную энергию.

Подобный же цикл изучается в институте Беттеля в Женеве. В этой схеме. двигатель и компрессор объединены в свободнопор - шневой машине, также содержащей минимум движущихся частей. Назначение машины — отопление и кондиционирование воздуха за счет сжигания природного газа. Она показана на рис. 2.11.

Возможность привода теплового насоса с помощью тепловой машины по циклу Ренкина при низкой температуре в котле делает его перспективным также для кондиционирования воздуха и ох­лаждения воды за счет солнечной энергии. Такое направление представляет особый интерес для стран с изобилием солнечной энергии, где холодильный эффект особенно нужен, причем именно

Тогда, когда поток энергии максимальный. Однако охлаждение не является основной целью тепловых насосов и в этой книге далее рассматриваться не будет.