Тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона.
Этот цикл в основном применяется для газотурбинных двигателей преимущественно как открытый цикл, в котором воздух засасывается из атмосферы, а газообразные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу, используемую как безграничный тепловой сток. При рассмотрении замкнутого энергетического цикла его «атмосферная» часть изображается как охлаждение при постоянном давлении рис. 3.14.
Рис. 3.14. Теплосиловой цикл Брайтона
1, 2 - подвод тепла; 3. 4 - отвод тепла.
Принципиальная особенность цикла Брайтона, представляющая интерес для тепловых насосов, состоит в возможностях применения приводного двигателя с внешним сгоранием при приемлемой эффективности. Идеальными приводными двигателями для теплового насоса были бы вращающиеся машины, работающие в нужном интервале температур и давлений. Все тепло, сбрасываемое на низкотемпературной стороне двигателя, могло бы складываться с, теплом, даваемым тепловым насосом при температуре в точке 2, что повысило бы КПЭ системы.
Теплонасосный цикл Брайтона - это обращенный энергетический цикл рис. 3.15 показан замкнутый. Он бывает двух типов. Первый из них - засасывание окружающего воздуха в точке 1, нагрев за счет сжатия до точки 2, отдача полезного тепла между точками 2 и 3 с помощью одного или двух теплообменников, расширение в турбине 3-4 и выброс воздуха в атмосферу. Здесь трудно получить существенную разность температур между Т1 и Тз.
Рис. 3.15. Теплонасосный цикл Брайтона
1 – 4 - теплообменник низкого давления, 3,4 - расширительная
машина, 2-3 - теплообменник высокого давления,
1 - 2 - компрессор; 5 - двигатель.
Другой тип показан на рис. 3.16 а. Здесь внешний воздух засасывается в точке 3, расширяется до давления ниже атмосферного, подогревается в теплообменнике окружающим воздухом, а затем снова сжимается до давления в обогреваемом помещении точка 2. Основная проблема этой схемы состоит в создании машины для давления ниже атмосферного и в обмерзании теплообменника.
Еще одна возможность иллюстрируется с помощью описания автомобильного воздушного кондиционера «Rovac».
Основой системы на рис. 3.16 б служит ротационный двухполостной компрессор-расширитель.
Окружающий воздух сжимается, охлаждается до температуры окружающей среды, затем расширяется с понижением температуры и подается в салон автомобиля. Таким образом, в автомобиле происходит кондиционирование воздуха без рециркуляции с помощью очень компактного устройства.
Наиболее широкое применение охлаждение по циклу Брайтона находит при кондиционировании воздуха в пассажирских самолётах.
Поскольку небольшое количество сжатого воздуха всегда можно получить от двигателей и охладить его потоком окружающего воздуха, охлажденный воздух просто подается в кабину, поддерживая в ней давление и снабжая свежим холодным воздухом.
а б
Рис. 3.16. а - открытый теплонасосный цикл Брайтона;
б - мотор-компрессор «Rovac»:
1 - к теплообменнику; 2 - сторона сжатия; 3 - вход теплового воздуха; 4 - регулировочный клапан (при надобности); 5 - выход холодного
воздуха; 6 - сторона расширения; 7 - от теплообменника.
Промышленный тепловой насос использующий обратный цикл Брайтона рис.3.17.
Рис. 3.17. Тепловой насос на обратном цикле Брайтона
Тепловые насосы, использующие обратный цикл Брайтона восстанавливают растворители из газов во многих процессах. Растворитель в воздухе сжимается, а затем расширяется. Воздух охлаждается за счет расширения, и растворители конденсируются и восстанавливаются. Дальнейшее расширение (с соответствующим дополнительным охлаждением, конденсацией и рекуперацией растворителя) происходит в турбине, которая приводит в действие компрессор.