17.2 Схема і принцип дії теплового насосу

Схеми й процеси на Тs – діаграмі для теплового насосe й холо- дильної установки принципово не розрізняються, і умовно можна холодильну установку назвати тепловим насосом, якщо основним завданням її є не виробництво холоду, а виробництво тепла. Різниця в схемах складається тільки в тім, що споживачі тепла в схемі теплового насосe приєднуються до конденсатора, у той час як у схемі холодильної установки споживачі холоду приєднувалися до випарника.

Тепловий насос (Рис. І7.1), як і холодильна установка, працює по зворотному циклу, тобто за рахунок витрати роботи в компресорі І (або теплоти іншого потенціалу), забирає теплоту q₂ у джерела низької температури V (тепловіддатчика) і віддає теплоту джерелу високої температури (теплоприймачу III), причому q₁ = q₂ + l₀

Теплопримач (який-небудь споживач теплоти) теплового насоса одержує, таким чином, крім теплоти q₂, перенесеної від навколишнього середовища, і теплоту, еквівалентну витраченій роботі l₀ (звичайно електричної енергії).

Таким чином, циклами теплових насосів служать цикли холодильних установок, що працюють в іншій області температур.

Для холодильних установок навколишнє середовище є тепло-приймачем, куди підводиться теплота, а у випадку теплового насоса навколишнє середовище є джерелом теплоти, що передається на більш високий температурний рівень. Це розходження показане на Ts –діаграмі, де 5-6-7-8 – цикл холодильної установки, а 1-2-3-4 – цикл теплового насосу, тобто цикл холодильної установки розташовується нижче горизонталі Т_зов відповідній температурі навколишнього середовища, а цикл теплового насосу – вище неї.

T

ІІІ

q₁

а б

ІІ 3 2

7 6 Т_зов

IV I 4 1

8 q₂ 5

V S

Рис.17.1. Схема (а) і Ts – діаграма (б) циклу теплового насосу.

Економічність циклу теплового насосу, що споживає для переносу теплоти роботу, характеризується коефіцієнтом перетворення теплоти, або опалювальним коефіцієнтом,

(17.1)

17.3 Розрахунок тепонасосної установки

Для розрахунку установки повинні бути задані:

– теплове навантаження Q_в, кДж/с;

– температура Т_н тепловіддатчика; при змінній температурі Т_н повинні бути задані або обрані температури середовища на вході й виході з випарника установки Т_н1 і Т_н2;

– температура теплоприймача, яка повинна підтримуватися за допомогою теплового насосу: при змінній температурі Т_в повин- на бути задана температура теплоносія на вході й виході з конденсатору Т_н1 і Т_н2;

– робочий агент;

– принципова схема установки.

При великій різниці температур (Т_в1 – Т_в2) доцільно в теплових насосах установлювати перед дросельним вентилем охолоджувач рідкого робочого агента й включати його по нагріваємому теплоносію, послідовно за конденсатором. При цьому знижуються втрати в установці від дроселювання й необоротного теплообміну, тому що теплоносій охолоджує робочий агент і надходить у конденсатор попередньо підігрітим.

Задають або вибирають на основі техніко-економічних розрахунків значення меншої різниці температур між середовищами, які гріють та нагріваються у випарнику , конденсаторі і охолоджувачі .

Визначають температури випару й конденсації по формулах:

Т₀ = Т_н2 - ΔТ_и (17.2)

Т_к = Т_в1 + ΔТ_к (17.3)

Обчислюють температуру робочого агента після охолоджувача

Т₄ = Т_а2 + ΔТ_охл (17.3)

де Т_а2 - температура середовища, яке нагріваєтся перед охолоджувачем.

Оцінюють індикаторний (адіабатний) ККД η_і і електромеханіч- ний ККД η_ел компресора.

Наносять процес на термодинамічну діаграму й визначають його основні параметри.

Подальший розрахунок установки (визначення витрати робочого агента й теплових навантажень апаратів) проводиться так само, як і для парокомресійних установок.

Електрична потужність компресора

N_e = э_тнQ_в

де Q_в - теплове навантаження теплового насоса; Э_тн - питома витрата електричної енергії на одиницю отриманого тепла (безрозмірна величина).

Питома витрата електричної енергії визначається по формулі

Э_тн =

де

Коефіцієнт перетворення теплоти

Коефіцієнт перетворення теплоти чисельно дорівнює кількості одиниць тепла, одержуваних у тепловому насосі на одиницю витраченої електричної енергії.

Питома витрата електричної енергії Э_тн, а також коефіцієнт перет- ворення тепоти – безрозмірні величини. Коефіцієнт перетворення теплоти практично завжди більше одиниці.