ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Полезная модель относится к области тепловых машин, работающих по обращенному циклу, которые потребляя полезную работу, перемещают теплоту на более высокий уровень температурный уровень и применяются для преобразования температуры материальных тел и теплоносителей на более высокий. Изобретение может быть использовано при разработке и изготовлении тепловых насосов, холодильных машин и комбинированных трансформаторов теплоты.
Т
Тепловые насосы (ТН) («умножители теплоты») служат для получения теплоты при относительно высоких температурах (t) (теплоты нагрева) за счет переноса тепла и охлаждения окружающей среды (внешнего тепла). Они потребляют при этом внешнюю работу, как правило, в форме электрической энергии. ТН позволяют отказаться от использования органического топлива непосредственно при обогреве помещений. С другой стороны при обогреве помещений ТН потребляют существенно меньше электрической энергии, чем при обогреве непосредственно электронагревателями.
Т
О
Т
Т
О
Мощность и эффективность ТН во многом зависят от температуры нагрева t и температуры окружающей среды t, от которой отбирается внешнее тепло. Показателем эффективности ТН служит коэффициент преобразования энергии µ, равный отношению теплоты нагрева к потребляемой при этом работе. Если идеальным считать тепловой насос, работающий по циклу Карно, то идеальный коэффициент преобразования () определяется температурами t и t, выраженными в абсолютной шкале, согласно следующей зависимости:
Т
О
Из этой зависимости следует, что даже у идеального ТН коэффициент преобразования  экспоненциально падает с повышением температуры нагрева (t) и с понижением температуры внешней среды (t), от которой тепловым насосом отбирается теплота. Эффективность реальных тепловых насосов изменяется в зависимости от температур подобным образом, т.е. подобно эффективности идеальных ТН.
Т
Т
Т
Поэтому для ТН важным является выбор эффективного уровня температуры t. Для санитарных нужд в быту и технике используется как низкопотенциальное тепло с температурой t=40÷60°C, так и тепло высокого потенциала с t=80÷100°С. Очевидно, что в существующих коммунальных системах легче использовать тепло высокого потенциала.
Можно сказать, что термодинамическая ценность высокопотенциального тепла выше ценности низкопотенциального тепла. Температурная границы между двумя этими видами тепла во многом условна и зависит от тарифов на электроэнергию, топливо и объемов капитальных затрат (стоимости) на ТН.
Дополнительно стоит отметить, что в большинстве существующих ТН реализуется обратный парокомпрессионный цикл, в котором тепло отводится в конденсаторе, последовательно в трех неравноценных процессах: форконденсации, конденсации и переохлаждение конденсата. В процессе форконденсации, который физически описывается как изобарический процесс охлаждения, горячее рабочее тело (фреон) охлаждается до температуры конденсации и при этом отводится примерно 20÷30% от всего тепла. Этот процесс протекает при теплообмене с внешним телом и его эффективней всего проводить в противоточном теплообменнике, при небольшой разности температур. В процессе собственно конденсации, который для однокомпонентных веществ, протекает как изотермический, при постоянной температуре, теплообмен эффективней проводить при постоянной температуре, при небольшой разности температур с охлаждающей средой. В процессе конденсации отводится примерно 70% тепла (основная доля) и в процессе переохлаждения конденсата отводится совсем немного тепла. При работе тепловых насосов требуется, как правило, требуется передать тепло к внешнему теплоносителю, который желательно получить при возможно более высокой температуре, что эффективно реализуется только в изобарическом процессе подогрева, при небольшой разности температур с парами рабочего тела (фреона). Поэтому тепло в процессе конденсации невозможно эффективно использовать для подогрева этого внешнего теплоносителя.
Известен тепловой насос (US 20090199581 A1, 13.08.2009), используемый для тепло- и хладоснабжения, включающий компрессор, водяной теплообменник, первый дроссельный вентиль для потока жидкого хладагента высокого давления, защитный ресивер компрессора, после которого поток хладагента разделяется, и на линии одного (вспомогательного) потока установлен второй дроссельный вентиль и регенеративный теплообменник-испаритель, присоединенный к компрессору через порт среднего давления, а линия второго (основного) потока проходит испаритель-конденсатор, регулирующий вентиль и воздушный испаритель, выход которого через защитный ресивер присоединяется к линии всасывания компрессора.
Работает этот тепловой насос следующим образом. Сжатый в компрессоре хладагент (рабочее тело) охлаждается и полностью конденсируется в водяном теплообменнике, подогревая при этом внешний теплоноситель (воду). Жидкий хладагент дросселируется в первом дроссельном вентиле и переохлаждается в защитном ресивере компрессора парами рабочего тела, всасываемыми в компрессор при нижнем давлении кипения. После этого линия жидкого хладагента разделяется на линии вспомогательного и основного потоков. Вспомогательный поток дросселируется во втором дроссельном вентиле и испаряется в регенеративном теплообменнике-испарителе, откуда поступает на всасывание в компрессор при среднем давлении. Основной поток дополнительно переохлаждается в этом же теплообменнике-испарителе и после регулирующего вентиля поступает в воздушный
испаритель, обогреваемый наружным воздухом. Пары хладагента из испарителя откачиваются, перегреваются в змеевике защитного ресивера компрессора и всасываются в компрессор при нижнем давлении.
Недостатком известного технического решения является:
1. В известном тепловом насосе подогрев внешнего теплоносителя (воды) выполняется в основном теплом конденсации, при постоянной температуре. Температура подогрева внешнего теплоносителя ограничена температурой рабочего тела и поэтому тепло конденсации не может использоваться для получения высоких температур.
2. В конденсаторе рабочее тело конденсируется полностью, что исключает возможность использования изотермического процесса теплопередачи для организации эффективного теплообмена.
Задачей предложенного технического решения является повышение эффективности цикла теплового насоса в широком диапазоне изменения температуры источника низкопотенциального тепла за счет создания условий для эффективного переноса тепла к теплоносителю во всем диапазоне температур подогрева и возможности утилизировать в этом процессе весь объем тепла конденсации. Желательным является так же сохранение в этом цикле способности эффективной работы не только при переносе тепла от окружающей среды, но и при работе на более низких температурах, т.е. в качестве холодильной машины.
О
В предлагаемом ТН для повышения эффективности работы предлагается изменить цикл так, что основная тепловая нагрузка к теплоносителю в конденсаторе передается в процессе форконденсации, при переменной температуре. Подбирая расход рабочего тела в этом случае можно синхронезировать темп изменения температуры теплоносителя и рабочего тела, т.е. обеспечить наибольшую эффективность их теплообмена. Это же можно сформулировать другим образом: обеспечить перенос всей тепловой нагрузки не в процессе конденсации рабочего тела, а в процессе изобарического охлаждения газа. В то же время в цикле предложенного ТН сохраняются термодинамические достоинства парокомпрессионного процесса для задач охлаждения на низком уровне температур t.
Таким образом, в предлагаемом цикле ТН организуется процесс поглощения внешнего тепла из окружающей среды преимущественно при постоянной температуре, в процессе изотермического испарения фреона, а подогрев теплоносителя и передача теплоты нагрева к внешнему теплоносителю преимущественно в изобарическом процессе охлаждения парообразного фреона, т.е. в процессе форконденсации, при охлаждении фреона. Это позволяет достичь более высоких температур подогрева этого теплоносителя и реализовать процессы теплообмена в более эффективных условиях.
Техническим результатом предложенного технического решения является возможность выполнить процесс теплообмена эффективным, достичь высоких температур подогрева последнего и утилизировать в конденсаторе все тепло.
Технический результат достигается тем, что тепловой насос содержит две ступени верхнюю и нижнюю, при этом верхняя ступень включает последовательно установленные компрессорный агрегат, нагреватель внешнего теплоносителя, распределитель потоков рабочего тела между ступенями, регулирующий вентиль и испаритель-конденсатор, а нижняя ступень включает последовательно установленные испаритель-конденсатор, регулирующий вентиль, испаритель и компрессорный агрегат нижней ступени, причем точка входа горячих паров рабочего тела в нагреватель на линии высокого давления размещается так, что теплообмен с внешним теплоносителем происходит в условиях противотока, без конденсации паров рабочего тела или с их частичной конденсацией, в зависимости от начальной температуры теплоносителя, а окончательная конденсация и переохлаждение потока рабочего тела нижней ступени в линии высокого давления осуществляется в испарителе-конденсаторе парожидкостным потоком верхней ступени после расширения этого потока в регулирующем вентиле до промежуточного давления, и после испарителя-конденсатора линии верхней и нижней ступеней соединяются,
Распределитель потоков рабочего тела между ступенями может быть выполнен в виде отделителя жидкости, при этом выход жидкости соединен с линией нижней ступени, а выход парожидкостного потока - с линией верхней ступени.
На чертеже представлена схема цикла теплового насоса.
Предложенный тепловой насос содержит две ступени верхнюю и нижнюю. Верхняя ступень включает последовательно установленные компрессорный агрегат 1, нагреватель 2 внешнего теплоносителя, распределитель 8 потоков рабочего тела между ступенями, регулирующий вентиль 3 и испаритель-конденсатор 4. Нижняя ступень включает последовательно установленные испаритель-конденсатор 4, регулирующий вентиль 6, испаритель 7 и компрессорный агрегат 5 нижней ступени. После испарителя-конденсатора 4 линии верхней и нижней ступеней соединяются.
Распределитель потоков рабочего тела между ступенями может быть выполнен в виде отделителя жидкости (на чертеже не показано), при этом выход жидкости соединен с линией нижней ступени, а выход парожидкостного потока - с линией верхней ступени.
Тепловой насос (ТН) работает по циклу двухступенчатой парокомпрессионной тепловой машины, в том числе по совмещенному с холодильной машиной циклу, т.е. одновременно выполняющий работу холодильной машины. Положительный эффект в этом
ТН - повышение эффективности работы цикла, достигается за счет перераспределения основной тепловой нагрузки от процесса изотермической конденсации к процессе изобарического охлаждения горячих паров в форконденсаторе (предконденсаторе). Вся теплота нагрева или основная часть этой нагрузки в данном ТН переносится с процесса изотермической конденсации на процесс изобарического охлаждения газа.
Достигается это:
- за счет перераспределения потока рабочего тела (фреона) в основном на верхнюю (вторую) ступень цикла ТН;
- за счет проведения процесса изотермической конденсации фреона не полностью, а только в той мере, как это необходимо для первоначального подогрева воды или другого теплоносителя до температуры конденсации;
- подогрев теплоносителя и охлаждение температуры рабочего тела до температуры конденсации («сбив перегрева») выполняется в основном в процессе форконденсации, в противоточном теплообменнике, когда температуры обеих сред меняются пропорционально, что, как известно, снижает термодинамические потери и повышает эффективность процесса переноса тепла в частности и цикла в целом.
Т1
Т2
Работает ТН следующим образом. Теплоноситель нагревается от температуры t до t в нагреватель 2 внешнего теплоносителя. Подогрев проводится наиболее эффективным образом, при оптимальных условиях теплообмена, т.е. в условиях противотока теплоносителя и рабочего тела, при примерно постоянной и небольшой разности температур. Как известно, условием этого является примерное равенство «водяных эквивалентов» потоков:
,
T
где G и  - средний в процессе расход теплоносителя и его теплоемкость;
ф
G и  - средний расход и теплоемкость рабочего тела (фреона).
Т1
Обычно в тепловых насосах начальная температура теплоносителя (t) много ниже температуры конденсации фреона. А большая разность температур при теплообмене является источником больших термодинамических потерь.
В предложенном техническом решении фреон в нагревателе 2 внешнего теплоносителя охлаждается и отдает тепло в основном в области перегретого пара, при ограниченной разности температур между потоками и поэтому термодинамические потери не велики. Конденсируется фреон в нагревателе 2 лишь частично и отдает в этом процессе немного тепла, достаточного лишь для первичного подогрева внешнего теплоносителя до температуры, близкой к температуре конденсации фреона и поэтому термодинамические потери, которые пропорциональны количеству переданного тепла, не велики. Для такой нагрузки подбирается нагреватель, в котором поток фреона охлаждается и частично конденсируется, а внешний теплоноситель первоначально подогревается до температуры, близкой к температуре конденсации фреона, и нагревается до температуры, близкой к температуре нагнетания фреона из компрессора 1.
После нагревателя паро-жидкостной поток фреона делится на два потока:
- основной поток, который в дальнейшем обеспечивает внешний теплосъем от окружающей среды на нижнем температурном уровне. Массовое значение этого расхода может быть относительно небольшим;
- вспомогательный поток, который дросселируется и служит для конденсации основного потока в процессе своего испарения.
Полная конденсация основного потока и полное (или частичное) испарение вспомогательного потока происходит в испарителе-конденсаторе 4. Чтобы обеспечить теплообмен в этом аппарате вспомогательный поток дросселируется в регулирующем вентиле 3, температура его понижается. Температура основного потока, равная температуре конденсации, не меняется, то возникает разность температур между этими потоками, обеспечивающая их теплообмен. Вспомогательный поток фреона после испарителя-конденсатора 4 смешивается с горячим основным потоком из компрессорного агрегата 5. При этом несколько снижается температура газа перед сжатием в компрессоре высокого давления. Таким образом, в верхней ступени ТН осуществляется эффективный подогрев проточного внешнего теплоносителя.
О
Полностью сконденсированный и немного переохлажденный основной поток фреона после испарителя-конденсатора 4 дросселируется в регулирующем вентиле 6 и поступает в испаритель 7. В этом аппарате паро-жидкостной поток фреона полностью испаряется, поглощая внешнее тепло. Этот поток аккумулирует внешнее тепло и в виде паров отсасывается компрессоров 5 нижней ступени. При этом к циклу подводится внешнее тепло, которое в дальнейшем эффективно, в конденсаторе-нагревателе передается теплоносителю. Таким образом реализуется изотермический процесс охлаждения при постоянной температуре, близкой к температуре охлаждаемого объекта, на уровне t и на нижней ступени ТН сохраняются условия для эффективной работы этого ТН как холодильной машины.