Принцип работы тепловых насосов

Любой ТН включает в себя следующие элементы: испаритель (холодильник), конденсатор (нагреватель), дроссельный вентиль, компрессор, рабочее тело (хладоагент ХА), внутренний контур.

Суть работы ТН состоит в следующем. В паровых компрессионных тепловых насосах используется принцип повышения температуры паров рабочего вещества при сжатии в компрессоре и понижения температуры паров при их расширении. Привод тепловых насосов осуществляется от электродвигателя или двигателя, работающего на природном газе.

В испарителе тепло Q_и через теплоноситель отбирается от низкотемпературного источника тепла (грунт, сбросное тепло, воздух и т. п.) и передается рабочему телу — хладоагенту (ХА), находящемуся при более низкой температуре:

Q_и = m_и c Tв_и, (13).

где с — удельная теплоемкость теплоносителя; m_и — масса теплоносителя в резервуаре испарителя; Tв_и — температура теплоносителя в резервуаре испарителя.

ХА заполняет внутренний контур, и циркулирует по герметичной системе трубопроводов, представляющих из себя металлические трубки. Контакт ХА с резервуарами, заполненными теплоносителем, осуществляется через теплообменники, которые представляют собой металлические трубки, свернутые в виде змеевиков. Теплообменник предназначен для передачи тепла от одной среды к другой. В идеальном случае процессы должны протекать без теплообмена с окружающей средой, т. е. изоэнтропийно.

ХА, получив тепло Q_и, кипит при определенном давлении Р_и и температуре T_и, превращаясь из жидкого состояния в парообразное. Температура кипения ХА примерно на 10⁰С ниже, чем температура теплоносителя Tв_и в резервуаре испарителя. Со временем температура в испарителе меняется. Мощность теплового потока испарителя равна.

dQ_и/dt = m_и c dTв_и/dt, (14).

где dTв_и/dt — скорость изменения температуры теплоносителя в резервуаре испарителя со временем. На выходе испарителя парообразный ХА перегревается (создается сухой пар), чтобы капли жидкости испарились полностью. Перегрев составляет 3−8?.

Далее полученный пар по трубопроводу засасывается в компрессор. На привод компрессора подается энергия А (механическая или электрическая). В компрессоре пары рабочего вещества сжимаются от давления Р_и до давления Р_к при соответствующем повышении температуры от Т_и до Т_к. Затем созданные таким способом сильно перегретые пары по трубопроводу поступают в конденсатор. Температура теплоносителя конденсатора Tв_к ниже температуры конденсации ХА примерно на 15⁰С. Поэтому здесь перегретый пар охлаждается, а затем конденсируется при постоянных температуре Т_к и давлении Р_к, превращаясь в горячую жидкость. Таким образом, в конденсаторе происходит выделение теплоты и передача ее теплоносителю за счет охлаждения и конденсации паров рабочего вещества. Мощность теплового потока конденсатора равна.

dQ_к/dt = m_к c dTв_к/dt, (15).

тепловой насос энергия теплоноситель где m_к— масса теплоносителя в резервуаре конденсатора; dTв_к/dt — скорость изменения температуры теплоносителя со временем в резервуаре конденсатора; Q_к — тепло переданное от рабочего тела через теплоноситель потребителю. В конденсаторе процесс передачи тепловой энергии, приобретенной рабочим телом в испарителе и дополнительно переданной ему за счет работы компрессора электрической энергии, теплоносителю происходит в три этапа:

• — Снятие перегрева. В этом процессе температура пара снижается до температуры насыщения. Излишнее тепло отводится, но изменения агрегатного состояния не происходит. На этом этапе снимается около 10 — 20% тепла.
• — Конденсация. На этом этапе происходит изменение агрегатного состояния ХА: пар превращается в жидкость. Температура при этом остается постоянной. На этом этапе снимается около 60 — 80% тепла.
• — Переохлаждение жидкости. В этом процессе сконденсированный ХА продолжает охлаждаться при высоком давлении, при этом получается переохлажденная жидкость. Если конденсатор правильно сконструирован, его температура еще снижается приблизительно на 5єC (переохлаждение). Температура переохлаждения жидкости, также как и перегрев пара в испарителе, является своеобразным индикатором правильной работы установки.

Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим веществом, после конденсатора оно поступает в жидком состоянии с давлением Р_к на дроссельный вентиль. Вследствие эффекта Джоуля-Томсона температура рабочего вещества понижается до значения T_и, равного температуре кипения в испарителе при давлении Р_и (понижение давления сопровождается соответствующим понижением давления от Р_к до Р_и). Эффектом Джоуля-Томсона называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель. Дроссель представляет собой капиллярную трубку или расширительный терморегулирующий клапан. В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. ХА в дросселе представляет собой смесь пара и жидкости.

Итак, после выхода из дросселя рабочее вещество в виде смеси пара и жидкости вновь попадает в испаритель. При этом ХА имеет те же давление и температуру, что и в начале цикла. Рабочий цикл замыкается.

Для того чтобы ТН мог выполнять свои функции, требуется наличие двух устройств:

• — компрессора, позволяющего перейти от низкого давления Ри к высокому Рк, и
• — дроссельного вентиля, позволяющего перейти от высокого давления Рк к низкому Ри.

Таким образом, в процессе циркуляции ХА непрерывно меняет свое агрегатное и термодинамическое состояния: испаряется, сжимается, конденсируется, расширяется, в итоге отнимая тепло от охлаждаемой среды и передавая его потребителю.