Конструкції теплових насосів

До основних елементів ТН належить робоче тіло (робоче середовище), компресор, теплообмінник, приводний двигун.

Робоче середовище. Серед термодинамічних властивостей пари робочих середовищ найбільш важливою є максимально допустима конденсаційна температура або пов'язаний з цим тиск. Тиск, межі якого залежать від компресора, визначає також і температуру опалення. Робота ТН характеризується коефіцієнтом перетворення (К_П).

Найбільш часто використовуються робочі середовища (таблиця 13.1)фреонуR-12 і R-22. Вони мають відповідно максимальну конденсаційну температуру 80 і 60°С, а опалювальна температура становить відповідно 70 і 50°С. Хороші властивості має аміак, за допомогою якого можна отримати і більш високу конденсаційну температуру. Недоліком аміаку є висока токсичність. В абсорбційних ТН найчастіше використовують пари середовищ NН₃/H₂О і H₂О/LiВr.

Таблиця 9.1 – Робочі середовища теплових насосів

Робоче середовище	Хімічна формула	Температура кипіння при 0,1013 МПа, °C	К_П	Ефективність опалення (об'ємна теплова потужність) q_v, кДж/м³	Тиск в конден-саторі ρ_к, МПа	Співвідношення тисків ρ_к/ ρ₀	Кінцева компре-сорна темпера-тура, °С
R-12	CF₂C1₂	-29,9	5,16		1,22	3,96
R-22	CHF₂C1	-40,8	5,14		1,93	3,88
R-502	49% R-22 51% R-115	-45,6	4,35		2,11	3,68
R-11	CFCl₃	+23,8	5,53		0,24	5,88
Аміак	NН₃	-33,6	5,53		2,06	4,96
R-114	C₂F₂CI	+3,6	3,65		0,449	5,1
RC-318	C₄F₈	-8,1	2,79		0,64	5,0
R-142	C₂H₃F₂CI	-9,2	4,7		0,68	4,6

Хлорофторвуглецеві (ХФВ) робочі середовища збільшують парниковий ефект на Землі. За даними Intergovernment Panal on Climate change, їх внесок у цей ефект за останні 10 років складає 24%. ХФВ характеризуються впливом на потепління Землі і потенціалом озонового руйнування. Вплив емісії ХФВ на глобальне потепління характеризується GWP, величина якого залежить від часу життя холодоагенту в атмосфері Землі. Так, заборонений з 2000 р. найбільш енергетично ефективний холодоагент R-12 має надзвичайно високе значення GWP = 4500, що еквівалентне викидам СО₂ при виробництві 4000 кВт.год. електроенергії. Навіть з урахуванням невеликої маси холодоагенту, яким заправляються холодильники і ТН за час їх експлуатації, прямий внесок у потепління залишається досить високим. Тому в найближчі роки основним робочим тілом побутової холодильної техніки стає холодоагент R-134a, який за своїми термодинамічними і енергетичними властивостями близький до R-12 і порівняно з ним має менший GWP = 1300. Для подальшого зменшення GWP застосовують суміш R-134a і R-152 (GWP = 150). На сьогодні ця суміш як холодильний агент починає застосовуватися в холодильниках ВАТ «Норд». Дослідження показали, що добавка до R-134a 20% R-152 а підвищує енергетичну ефективність на 1-2%.

Компресори.Розрізняють ротаційні, поршневі, гвинтові та відцентрові компресори для ТН. До компресорів пред'являють такі вимоги:

— більш висока температура конденсації (біля 60°С);

— більш висока допустима температура стискування (біля 100°С);

— високий ККД;

— по можливості плавне регулювання продуктивності без її втрат;

— невисокий рівень шуму.

Ротаційні компресори працюють при низьких тисках і ступенях стискування. Вони застосовуються при потужностях приводу до 5 кВт, вихідному тиску до 1 МПа.

Поршневі компресори найбільш розповсюджені в ТН. Великі компресори досягають потужності 100-150 кВт, а невеликі конкурують з ротаційними. Привод може бути електричним або від іншого двигуна. Основні характеристики компресора, за якими він вибирається: тиск на виході, температура, різниця тисків, тиск всмоктування, відношення тисків.

Гвинтові компресори призначені для продуктивностей, які перевищують сферу застосування поршневих компресорів. Цей компресор складається з двох гвинтового виду роторів, що обертаються разом в ущільненому корпусі. Стискування проходить у зазорах між зачепленими гвинтами. Завдяки відсутності робочих клапанів і вузлів передаточного механізму, таких, як шатуни і поршні, досягається більш висока надійність порівняно з поршневим компресором. Принциповим недоліком гвинтових компресорів є підвищення вартості і рівня шуму.

Приводні двигуни.Приводом компресора може служити як електродвигун, так і двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Привод від електродвигуна найбільш розповсюджений, що пояснюється його дешевизною, простотою в експлуатації і високою надійністю. Разом з тим електродвигун менш ефективний за первинною енергією. При використанні ДВЗ з'являється можливість використовувати в якості привода теплоту води, нагрітої в охолоджуючому контурі двигуна, і теплоту вихлопних газів. Для того, щоб отримати 100 кВт теплової потужності, у ТН на привод компресора необхідно витратити 43 кВт електричної потужності, що еквівалентно 170 кВт від палива, спаленого на електростанції. У випадку дизельного двигуна для отримання тієї ж кількості теплоти вимагається 88 кВт потужності спаленого палива.

Теплообмінні апарати. Випаровувач у ТН служить для відбирання теплоти з навколишнього середовища або від теплоносія при низькій температурі через теплообмінник (ТО). При цьому холодоагент переходить із рідкої фази в газоподібну. У зв'язку зі значною різницею коефіцієнтів теплообміну потоку газів і рідин застосовують і різні конструкції випаровувачів для охолодження рідин і газів.

ТО для охолодження рідин залежно від конструкції поділяють на: кожухотрубні, типу «труба в трубі», змійовикові, регісторні, пластинчасті.

Кожухотрубна конструкція ТО найбільш широко застосовується у випаровувачів для охолодження рідин. Рідина, що охолоджується, може проходити як усередині труб, так і між ними. Двотрубна конструкція застосовується для ТН теплопродуктивністю менше 40 кВт. Перевага такої конструкції полягає в тому, що обидві рідини, що беруть участь у теплопередачі, рухаються у протитоці. У змійовиках, регісторних та пластинчастих випаровувачах холодоагент, призначений для випаровування, подається всередину змійовика, регістру або пластин. Такі конструкції застосовують у тих випадках, коли випаровувачі вбудовані у круглі або багатокутні резервуари, де протікає охолоджувальна рідина.

Конденсатори в ТН служать для відведення теплоти при температурі, яка перевищує температуру навколишнього середовища. При цьому холодоагент переходить із пароподібного стану в рідинний, тобто конденсується. В якості охолоджувальної речовини для конденсаторів застосовують як рідини (зазвичай воду), так і гази (зазвичай повітря). Тип охолоджувальної речовини, яка сприймає теплоту конденсації, залежить у теплонасосному циклі від способу застосування. Використання повітря для цього має сенс тоді, коли воно являє собою середовище, до якого повинна підводиться теплота.

Конденсатори з рідинним охолодженням за конструктивним вирішенням поділяються на кожухотрубні, двотрубні і змійовиковотрубні.

Кожухотрубна конструкція найчастіше застосовується в конденсаторах. При цьому холодна речовина пропускається всередині труб, а холодоагент конденсується на зовнішній стороні труб у міжтрубному просторі. Для забезпечення більш високого нагрівання холодної речовини організується рух пари холодоагенту знизу вверх. Конструкція «труба в трубі» має перевагу у створенні повного протитоку обох речовин, завдяки чому досягається більш висока температура теплоносія на виході. У конденсаторах змійовиковотрубних конструкцій з повітряним охолодженням в якості теплопередаючого елементу завжди застосовують труби зі збільшеною поверхнею зі сторони газу.

Збільшення розмірів теплообмінників (ТО) підвищує їх вартість, але - одночасно зменшує різницю температур між кипінням і конденсацією, а це означає збільшення К_П. Тому необхідно розрахувати оптимальний ТО, виходячи з економічних міркувань. Різні підходи до цього питання обумовили те, що в умовах Англії ТН мають практично вдвічі більший конденсатор порівняно з агрегатами, що випускаються в США.

ТН потрібно захищати від несприятливих умов роботи, обмерзання випаровувача, коли джерелом теплоти є вода.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Принцип дії і класифікація теплових насосів	\|	Джерела теплоти ТН

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.