2.2. Парокомпресійні теплові насоси. 2.2.1. Принцип дії і функціональна схема одноступін-частого теплового насоса

2.2. Парокомпресійні теплові насоси. 2.2.1. Принцип дії і функціональна схема одноступін-частого теплового насоса

         Принцип дії теплового насоса парокомпресійного типу базується на енергообміні робочої речовини з джерелами низької і високої температур. При цьому робоча речовина, холодоагент, здійснює зворотний термодинамічний цикл з витратою механічної роботи.

         Відмітною особливістю подібних теплових насосів є зміна агрегатного стану робочої речовини з огляду на те, що більшість процесів проходять в області насиченої пари.

         Розглянемо ідеальний зворотний термодинамічний цикл для термотрансформаторів підвищую чого, типу до яких належить і тепловий насос, рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 Ідеальний цикл підвищуючого термотрансформатора в T,s-діаграмі:          а) – холодильної машини;          б) – теплового насоса;          в) – комбінованої установки;          1,2,3,4 – вузлові точки процесів, що складають цикл

         На даному рисунку  Т, s – діаграмі наведено три варіанти циклу Карно для підвищуючих термотрансформаторів. Їх відмінність полягає в підтримці різних рівнів температур конденсації, Тк і кипіння холодоагента Тв стосовно температури навколишнього середовища, То.с.

         За варіантом "а", що відповідає режиму холодильної машини, температура кипіння холодоагента у випарнику завжди нижча за температуру навколишнього середовища, а температура конденсації близька до температури навколишнього середовища, тобто Тв <То.с., Тк То.с.

         Неважко бачити, що термотрансформатор у режимі теплового насоса функціонує з вищими значеннями Тк і Тв, не змінюючи при цьому структури циклу, Тв То.с, Тк >То.с.

         Комбінований варіант "в" свідчить про можливість одночасного "вироблення" тепла і холоду при відповідній підтримці рівнів температур конденсації і кипіння холодоагента.

         Функціональна схема парокомпресійного теплового насоса показана на рисунку 2.3, там само наведено зображення процесів у Т,s - і p,i - діаграмах.

Рисунок 2.3 - Функціональна схема одноступінчастого ПКТН: а) – схема теплового насоса; б) – процеси в T,s- діаграмі; в) – процеси в р,i- діаграмі;  А–утилізоване середовище; Б – середовище споживача теплового навантаження; КМ – компресор; КД – конденсатор; ПК – переохолоджувач конденсату; РТ – регенеративний теплообмінник; РВ – регулюючий вентиль, В – випарник.

На схемі також позначені відповідні стани середовища споживача теплового навантаження , ,  і утилізованого середовища 1у, 2у.

Застосування в схемі теплового насоса переохолоджувача конденсату дозволяє більш повно використовувати тепловий потенціал сконденсованого холодоагента. Проте при невисоких значеннях різниці температур виходу і входу середовища споживача, Т2п - Т1п<10оС, установка переохолоджувача конденсату не завжди економічно доцільна.

Важливу роль у тепловому насосі виконує регенеративний теплообмінник. Включення його в схему, з одного боку, дозволяє зменшити втрати від незворотності в процесі дроселювання, а з іншого – забезпечити гарантований перегрів пари перед їх надходженням у всмоктуючу порожнину компресора. За відсутності перегріву холодоагента може відбуватися випад його невипаровуваної рідкої фази разом з краплями масла в робочий об'єм компресора. Для машин об'ємного типу це приводить при всмоктуванні до зменшення продуктивності, а при нагнітанні - до гідравлічного удару.

У будь-якому випадку пониження температури конденсату перед дроселюванням за рахунок установки переохолоджувача і регенеративного теплообмінника забезпечує вихід насиченої пари холодоагента з дросельного пристрою з нижчим ступенем сухості, що є позитивним чинником для роботи випарника з внутрішньотрубним кипінням.