Тепловые насосы с парокомпрессионным циклом.

Наибольшее распространение в мировой и отечественной практике получили парокомпрессионные теплонасосные установки. В их состав входит тепловой насос, имеющий три основных агрегата: испаритель, конденсатор, компрессор и три контура: хладоновый, источника низкопотенциальной теплоты и системы потребителя тепла. Имеются так же системы автоматического контроля, управления и предохранения от аварийных ситуаций.

Бытовой парокомпрессионный тепловой насос представлен на рис.3.1.

Рис. 3.1. Парокомпрессионный тепловой насос

Испаритель и конденсатор относятся к теплообменному оборудованию, эффективность которого определяется коэффициентами теплообмена, зависящими от режима потока, физических свойств веществ и геометрической формы теплообменника.

Испаритель служит для отбора теплоты из окружающей среды и в нем теплоноситель из жидкости превращается в пар. Испаритель конструктивно выполняется в виде кожухотрубного, змеевикового, регисторного или пластинчатого, типа «труба в трубе» теплообменника.

Кожухотрубная конструкция наиболее широко применяется в испарителях для охлаждения жидкостей. Охлаждаемая жидкость может проходить как внутри труб, так и между ними.

Конструкция «труба в трубе» применяется в основном для малых производительностей до 40 кВт. Преимущество такой конструкции состоит в том, что обе жидкости, участвующие в теплопередаче, получают встречное направление, точно соответствующее противотоку. Это имеет значение при использований неазетропных смесей хладагента в холодильных установках, так как испарение смесей происходит не при постоянной, а при возрастающей вдоль направления потока температуре. В испарителях этого типа хладагент обычно проходит во внутренней трубе.

В змеевиковых, регисторных, пластинчатых конструкциях, хладагент, предназначенный для испарения, подается внутрь змеевика, регистра или пластин. Такие конструкции применяют в тех случаях, когда испарители встроены в круглые или многоугольные резервуары, где протекает охлаждаемая жидкость.

Регисторные конструкции пригодны только при использовании хладагентов, не растворяющих масло, и при внутреннем испарении; змеевиковые конструкции позволяют осуществлять полное испарение.

Так как коэффициенты теплообмена испаряющего хладагента выше, чем при теплообмене потока газа, в качестве теплопередающей поверхности в испарителях для охлаждения газов почти всегда применяют трубы с развитой поверхностью со стороны движения газа, пластинчатые и ребристые трубы. Газ или воздух пропускают через пучки пластинчатых или ребристых труб под напором, и часто, применяют так называемые вентиляционно-испарительные агрегаты, состоящие из испарителя, вентилятора, создающего движение воздуха, и кожуха.

Широкое распространение получили змеевиково-трубные конструкции. В испарителях, охлаждающих воздух или газ, возможны два режима эксплуатации: полное и неполное испарение. Для полного испарения в ряд параллельных змеевиков через термостатические регулирующие вентили и распределители подается столько хладагента, сколько необходимо, чтобы на выходе из испарителя образовался слегка перегретый пар хладагента. При неполном испарении в ряд параллельных змеевиков с помощью насоса подается увеличенное в n раз (n = 2…4) количество испаряющегося хладагента.

При выборе испарителя учитывается, что в зависимости от условий эксплуатации требуются испарители с различным шагом пластин или ребер.

Конденсаторы в тепловых насосах служат для отбора теплоты сжатых и нагретых паров хладагента при их конденсации и передачи ее к потребителю непосредственно с помощью воздуха или с помощью промежуточной водяной системы отопления.

В теплонасосном цикле эта теплота, отобранная у хладагента, представляет собой полезную теплоту. В качестве охлаждающих веществ для конденсаторов применяются, как жидкости – вода или газы - воздух. Тип охлаждающего вещества, воспринимающего теплоту конденсации, зависит в теплонасосном цикле от способа использования полезной теплоты.

Использование воздуха в качестве охлаждающего вещества для конденсаторов имеет смысл лишь тогда, когда газ, используемый для охлаждения, представляет собой вещество, к которому должна подводиться полезная теплота. При использовании жидкостей в качестве вещества, охлаждающего конденсатор, их функцией часто является лишь транспортировка полезной теплоты от конденсатора к месту ее потребления. В связи с большим различием в значениях коэффициентов теплообмена газов и жидкостей применяют различные конструкции конденсаторов с газовым и жидкостным охлаждением.

Конденсаторы с жидкостным охлаждением по конструктивному решению подразделяются на кожухотрубные, двухтрубные («труба в трубе») и змеевиково-трубные специальной конструкции.

Кожухотрубные конструкции наиболее часто применяют в конденсаторах. При этом охлаждающее вещество пропускается внутри труб, а хладагент конденсируется на наружной стороне труб в межтрубном пространстве. Причем пар хладагента поступает в полость кожуха сверху, сконденсировавшийся хладагент удаляется снизу. Чтобы получить более высокий нагрев охлаждающего вещества, необходимо обеспечить его движение снизу вверх. Улучшенная реализация принципа противотока и более эффективное использование температуры перегретого пара хладагента, поступающего в конденсатор, могут быть достигнуты при применении так называемого элементного (многосекционного) конденсатора, где несколько кожухотрубных теплообменников с относительно небольшим числом труб в каждом расположены друг над другом.

Преимущество двухтрубных теплообменников - создание полного противопотока обоих веществ. При этом благодаря использованию теплоты перегрева достигается более высокая температура теплоносителя на выходе.

Такую конструкцию рекомендуется применять также при работе на неазеотропных смесях в качестве хладагентов. Хладагент может подаваться как во внутреннюю трубу, так и в зазор между наружной и внутренней трубой с целью повышения прочности. Для тепловых насосов с целью повышения термодинамических характеристик наиболее целесообразно пропускать хладагент внутри труб.

Для змеевиково-трубных конструкций, поскольку коэффициенты теплообмена конденсирующего хладагента больше, чем от потока газа, в конденсаторах с воздушным охлаждением в качестве теплопередающего элемента всегда применяют трубы пластинчатые или ребристые со стороны газа. С целью достижения большей компактности аппарата и его удешевления осуществляется принудительное движение газа или воздуха через пучки пластинчатых или ребристых труб. Чаще всего применяют змеевиково-ребристые теплообменники. Размещение теплообменника и вентилятора, подающего воздух, в теплонасосных установках зависит от условий применения.

Схема парокомпрессионного теплового насоса с газотурбинной установкой представлена на рис.3.2.

Рис.3.2. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового

насоса (ПНТ) с газотурбинной установкой:

К - компрессор; Т - газовая турбина; КС - камера сгорания

Главное достоинство парокомпрессионных тепловых насосов это их самая высокая эффективность среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3, то есть на каждый Джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3Дж тепла. При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло необязательно отводить во внешнюю среду.

Недостатки парокомпрессионных тепловых насосов - наличие компрессора, создающего шум и подверженного износу и необходимость использования специального хладагента, и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути.

И все-таки в силу своей высокой эффективности именно парокомпрессионные тепловые насосы получили практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные.