Реальный цикл теплового насоса
Рабочие циклы, описанные в предыдущих разделах, существенно идеализированы. Хотя в них и учитывались практические ограничения, связанные с необходимостью сжатия только сухого пара, а также отсутствие расширительной машины, предполагалось, что КПД всех элементов составляет 100%. Покажем теперь, чем реальная машина отличается от идеальной.
Главным компонентом теплового насоса является компрессор.
Ранее уже говорилось, что компрессор должен сжимать только сухой пар и рабочее тело до входа в компрессор должно быть несколько, перегрето. Это показано на рис. 2.5, где рабочее тело теперь поступает в компрессор в состоянии 5' вместо 5. Перегрев создает зону безопасности для уменьшения попадания капель жидкости в компрессор. Это достигается ценой некоторого увеличения компрессора, поскольку он должен сжимать более разреженный пар при том же массовом расходе. Более серьезная проблема состоит в повышении температуры на выходе из компрессора, которая ограничивается стойкостью выхлопных клапанов.
Другое существенное отклонение от идеализированного цикла определяется КПД компрессора. Из-за теплообмена между рабочим телом и компрессором и необратимости течения внутри компрессора повышение энтальпии в нем больше, чем в идеализированном цикле, что также повышает выходную температуру. На рис. 2.5 это показано точкой 1. Повышение энтальпии оценивается изоэнтропическим КПД компрессора. Повышение энтальпии в реальном компрессоре обозначается W, а при идеальном изоэнтропическом сжатии W. Изоэнтропический КПД равен W/W. На практике поршневые компрессоры имеют изоэнтропический КПД около 70%. Отметим, что изоэнтропическое сжатие требует минимальной работы при неохлаждаемом компрессоре. Работу можно снизить путем его охлаждения, но поскольку задачей теплового насоса является отдача тепла при высокой температуре, такое охлаждение невыгодно или фактически невозможно.
Существуют еще два показателя эффективности компрессора.
Механический КПД показывает, какая доля работы, подведенной к валу компрессора, отдана рабочему телу:
Механический КПД = Повышение энтальпии х массовый расход / Мощность, подведенная к компрессору
Обычно он равен 95%. Заметим, что оба эти КПД одинаково важны, так как они влияют на КОП реального теплового насоса.
Наконец, есть еще объемный КПД, который влияет не на КОП, а на капиталовложения в оборудование, поскольку определяет размеры компрессора:
Объемный КПД = Массовый расход х удельный объем на входе / Объем, проходимый поршнем в единицу времени
Его типичное значение также около 95%.
Потери имеются и в других элементах рабочего цикла, а не только в компрессоре. Когда рабочее тело проходит через теплообменник, давление несколько падает. Скорость обычно стремятся
поддерживать достаточно высокой и исключить застойные зоны, в которых собирается масло. Влияние этого падения давления проявляется в отклонении от изотермических условий при теплообмене (см. рис. 2.5). Фактически отклонение обычно не превосходит градуса, и на рисунке его влияние несколько преувеличено.
Оно проявляется как в испарителе, так и в конденсаторе.
Последнее отклонение от реального цикла, которое здесь рассматривается, связано с переохлаждением. В идеальном цикле дросселирование начиналось от точки 3 на левой пограничной кривой. Однако любые потери в трубопроводах между конденсатором и дросселем вызывают некоторое испарение, что ухудшает работу дросселя. Желательно ввести переохлаждение до точки 3.
Переохлаждение также снижает долю пара, поступающего. в испаритель, но чтобы осуществить переохлаждение, нужно иметь теплоноситель с достаточно низкой температурой. Обычно вода
или воздух, отводящие тепло от конденсатора, не могут служить
для этого, так как задача теплового насоса состоит в поддержании их потока максимально нагретым.
Несколько ранее была объяснена необходимость перегрева рабочего тела после испарителя, что привело к удобному и элегантному решению: тепло, отводимое от конденсатора при переохлаждении с температурой Тн, используется для перегрева засасываемого в компрессор пара с температурой TL путем установки промежуточного теплообменника — переохладителя (рис. 2.6).
Заметим, что переохладитель не влияет непосредственно на КОП, поскольку избыток энтальпии, полученный при высокой температуре между точками 3 и 3', не отдается потребителю, а используется внутри цикла между точками 5 и 5' (см. рис. 2.5).
Однако косвенно переохладитель повышает КОП, поскольку позволяет воспринимать тепло при TL более близко к изотерме.
Рис. 2.5. Реальный парокомпрессионный цикл.
Рис. 2.6. Парокомпрессионный цикл с промежуточным теплообменником— регенератором.
/ — испаритель; 2 — компрессор; 3 — двигатель; 4 — конденсатор; 5 — промежуточный теплообменник.
