Теплонасос

РЕАЛЬНЫЙ ЦИКЛ

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 разре* женный пар при том же массовом расходе. Более серьезная проб* лема 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 ре - алыюм компрессоре обозначается W', а при идеальном изоэнтро - пическом 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:

Повышение эитальпниХмассовый 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:

Массовый расход X 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 [3].

Несколько ранее была объяснена необходимость перегрева ра­бочего тела после испарителя, что привело к удобному и элегант­ному решению: тепло, отводимое от конденсатора при переохлаж-

А

Рис. 2.6. Парокомпрессиоииый цикл с промежуточным теплообмен­ником — регенератором.

1 — испаритель; 2 — компрессор; 3 — двигатель; 4 — конденсатор; 5 — про­межуточный теплообменник.

Дении с температурой Тц, 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.