Многоступечатая теплонасосная установка
MULTI-STAGE HEAT PUMP PLANT

Изобретение относится к энергомашиностроению и может применяться в многоступенчатых теплонасосных установках, подогревающих рабочее тело от начальной температуры, равной начальной температуре низкопотенциального источника теплоты (НИТ).
PT
К1
К2
PT
К1
К2
Известна многоступенчатая теплонасосная установка, содержащая компрессор первой ступени, конденсатор с выполненными в нем охлаждающей полостью и греющей полостью с выходным патрубком нагреваемого рабочего тела, промежуточный конденсатор с охлаждающей и греющей полостями, переохладитель хладагента последней ступени с охлаждающей и греющей полостями, переохлодитель хладагента первой ступени с греющей полостью и охлаждающей полостью, последовательно сообщенной с дросселем первой ступени, испарителем, компрессором первой ступени и охлаждающей полостью промежуточного конденсатора первой ступени, а так же компрессор последней ступени, последовательно сообщенный через охлаждающую полость конденсатора с охлаждающей полостью переохладителя хладагента последней ступени, и дроссель последней ступени [Патент DE №3311505, Кл. F25B 30/02. 26.03.1983]. Недостатком данной многоступенчатой теплонасосной установки является относительная высокая суммарная работа компрессоров. Это вызвано тем, что, несмотря на снижение энергозатрат, связанных с подачей во входной патрубок каждой ступени компрессора хладагента с небольшим перегревом, суммарная работа двух компрессоров остается достаточно большой, что не позволяет поднять коэффициент преобразования μ=Q/(A+A)=4-5.5, где Q - теплота, ушедшая на нагрев рабочего тела, A и A - работа соответственно первого и второго компрессоров.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является многоступенчатая теплонасосная установка, содержащая испаритель с греющей полостью, компрессор первой ступени, конденсатор первой ступени с выполненными в нем охлаждающей полостью и греющей полостью, сепаратор первой ступени, переохладитель хладагента первой ступени с греющей полостью, с второй охлаждающей полостью промежуточной ступени, с третей охлаждающей полостью последней ступени и с охлаждающей полостью первой ступени, компрессор промежуточной ступени, промежуточный конденсатор с охлаждающей и греющей полостями, сепаратор промежуточной ступени, переохладитель промежуточной ступени с греющей полостью, с первой охлаждающей полостью промежуточной ступени и с второй охлаждающей полостью последней ступени, компрессор последней ступени, конденсатор последней ступени с выполненными в нем охлаждающей полостью и греющей полостью, переохладитель хладагента последней ступени с греющей полостью и первой охлаждающей полостью, выход жидкой фракции хладагента сепаратора первой ступени последовательно сообщенный с охлаждающей полостью переохладителя первой ступени, с дросселем первой ступени, с греющей полостью испарителя, с компрессором первой ступени, с охлаждающей полостью конденсатора первой ступени и входом сепаратора первой ступени, выход паровой фракции хладагента сепаратора первой ступени, последовательно сообщенный с компрессором промежуточной ступени, с охлаждающей полостью промежуточного конденсатора, с входом промежуточного сепаратора, выход жидкой фракции хладагента промежуточного сепаратора, последовательно сообщенный с первой охлаждающей полостью переохладителя промежуточной ступени, с второй охлаждающей полостью переохладителя первой ступени, с дросселем промежуточной ступени и греющей полостью испарителя, а так же выход паровой фракции хладагента сепаратора промежуточной ступени, последовательно сообщенный с компрессором последней ступени, с охлаждающей полостью конденсатора последней ступени, с охлаждающей полостью переохладителей последней ступени, с второй охлаждающей полостью переохладителя промежуточной ступени, с третьей охлаждающей полостью переохлодителя первой ступени, с дросселем последней ступени и с греющей полостью испарителя. [Патент на полезную модель RU №140197, кл. F25B 30/00. 10.05.2014]. Недостатком данной многоступенчатой теплонасосной установки является низкая эффективность даже при незначительном изменении тепловой нагрузки рабочего тела. Это вызвано тем, что, уровень жидкой фазы хладагента в каждом сепараторе будет меняться, что приведет к снижению уровня жидкой фазы хладагента в конденсаторах и, как следствие, к снижению теплопередачи и снижению эффективности установки. С другой стороны, при изменении потребления тепловой нагрузки рабочего тела происходит разбалансировка соотношения расходов хладагента в компрессорах каждой ступени, что приводит к неравномерному изменению нагрузочных характеристик работы компрессоров и, как следствие, к снижению их КПД.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности многоступенчатой теплонасосной установки.
Технический результат достигается тем, что многоступенчатая теплонасосная установка, содержащая испаритель с греющей полостью, компрессор первой ступени, конденсатор первой ступени с выполненными в нем охлаждающей полостью и греющей полостью, сепаратор первой ступени, переохладитель хладагента первой ступени с греющей полостью, с второй охлаждающей полостью промежуточной ступени, с третей охлаждающей полостью последней ступени и с охлаждающей полостью первой ступени, компрессор промежуточной ступени, промежуточный конденсатор с охлаждающей и греющей полостями, сепаратор промежуточной ступени, переохладитель промежуточной ступени с греющей полостью, с первой охлаждающей полостью промежуточной ступени и с второй охлаждающей полостью последней ступени, компрессор последней ступени, конденсатор последней ступени с выполненными в нем охлаждающей полостью и греющей полостью, переохладитель хладагента последней ступени с греющей полостью и первой охлаждающей полостью, выход жидкой фракции хладагента сепаратора первой ступени последовательно сообщенный с охлаждающей полостью переохладителя первой ступени, с дросселем первой ступени, с греющей полостью испарителя, с компрессором первой ступени, с охлаждающей полостью конденсатора первой ступени и входом сепаратора первой ступени, выход паровой фракции хладагента сепаратора первой ступени, последовательно сообщенный с компрессором промежуточной ступени, с охлаждающей полостью промежуточного конденсатора, с входом промежуточного сепаратора, выход жидкой фракции хладагента промежуточного сепаратора, последовательно сообщенный с первой охлаждающей полостью переохладителя промежуточной ступени, с второй охлаждающей полостью переохладителя первой ступени, с дросселем промежуточной ступени и греющей полостью испарителя, а так же выход паровой фракции хладагента сепаратора промежуточной ступени, последовательно сообщенный с компрессором последней ступени, с охлаждающей полостью конденсатора последней ступени, с охлаждающей полостью переохладителей последней ступени, с второй охлаждающей полостью переохладителя промежуточной ступени, с третьей охлаждающей полостью переохлодителя первой ступени, с дросселем последней ступени и с греющей полостью испарителя, дополнительно содержит по меньшей мере один датчик уровня жидкой фракции хладагента сепаратора первой ступени и один исполнительный механизм, при этом выход датчика сообщен с входом исполнительного механизма, подключенного к дросселю первой ступени, и количество хладагента, проходящего через дроссели каждой ступени, выполнены с возможностью обеспечения расходов хладагента, определяемых зависимостью
где W - расход рабочего тела, [кг/с],
p
i-1
i
c - средняя изобарная теплоемкость рабочего тела в интервале температур от T до T, [кДж/(кг К)],
i
T - температура рабочего тела на выходе из греющей полости конденсатора i-ой ступени, [K],
i-1
T - температура рабочего тела на входе в греющую полость переохладителя (i-1)-ой ступени,
- энтальпия хладагента на выходе из компрессора i-ой ступени, [кДж/кг],
- энтальпия хладагента на выходе из охлаждающей полости переохладителя i-ой ступени, [кДж/кг],
z - количество ступеней многоступенчатой теплонасосной установки,
j
G - количество хладагента, проходящего через (i+1) ступень, [кг/с],
- энтальпия паровой фазы хладагента на линии сухости х=1 i-ой ступени, [кДж/кг],
- энтальпия жидкой фазы хладагента на линии сухости х=0 i-ой ступени, [кДж/кг],
i - порядковый номер ступени.
Повышение эффективности многоступенчатой теплонасосной установки связано с тем, что поддержание уровня жидкой фазы хладагента в сепараторе каждой ступени путем установки датчика уровня жидкости, связанного с исполнительным механизмом, регулирующего положение дросселя, обеспечивает постоянный расчетный уровень жидкой фазы хладагента в конденсаторе. В этом случае конденсатор работает на расчетном режиме и обеспечивает высокий расчетный КПД установки. Для того, чтобы достичь высокую эффективность работы многоступенчатой теплонасосной установки необходимо обеспечить определенные расходы хладагента, проходящих через дроссели каждой ступени, которые были выполнены с возможностью обеспечения расходов хладагента, определяемых зависимостью
p
i
i-1
0
1
2
3
0
3
p
1
2
3
1
2
3
2
3
3
На фиг. 1 представлена p-h-диаграмма цикла, в частности, трехступенчатой теплонасосной установки, по которой для определения расхода хладагента через дроссель каждой ступени находим параметры состояния хладагента (c, T, T, , , ,). Так, например, для трехступенчатой теплонасосной установки, где в качестве хладагента применен R600, и температура хладагента на выходе из испарителя равна T=283 К, на выходе из конденсатора первой ступени - T=308 К, второй ступени - T=333 К и третей ступени - T=353 К. Установка нагревает рабочее тело (воду) от T=283 К до T=353 К. Теплоемкость воды - c=4.19 кДж/(кг К). Энтальпия хладагента на выходе из компрессора 1-ой, 2-ой и 3-ей ступени  соответственно равны 640 кДж/кг, 677 кДж/кг и 702 кдж/кг.Энтальпия хладагента на выходе из охлаждающей полости переохладителя 1-ой, 2-ой и 3-ей ступени  соответственно равны 223 кДж/кг, 284.2 кДж/кг и 347.17 кДж/кг. Энтальпия паровой фазы хладагента на линии сухости х=1 0-ой, 1-ой, 2-ой и 3-ей ступени,  соответственно равны 596.5 кДж/кг, 632 кДж/кг, 667.26 кДж/кг и 694 кДж/кг. Тогда расход хладагента через дроссели 1-ой, 2-ой и 3-ей ступени соответственно равны G=0.1694W, G=0.257W, G=0.236W. Таким образом, расход хладагента через компрессор первой ступени равен G+G+G=0.6624W, расход хладагента через компрессор второй ступени равен G+G=0.493W и расход хладагента через компрессор третей ступени равен G=0.236 W. Тогда мощности компрессоров первой, второй и третей ступени соответственно равны:
,
,
.
Коэффициент преобразования трехступенчатой установки
.
1
1
2
3
Для сравнения коэффициент преобразования одноступенчатой установки при тех же равных условиях, что и трехступенчатая, μ=3.92, что на 20% меньше по сравнению с предложенным техническим решением. Таким образом, коэффициент преобразования трехступенчатой теплонасосной установки в заявленном техническом решении будет больше коэффициент преобразования в сравнении с одноступенчатой установки с расходом хладагент (G+G+G) и, как следствие, эффективность многоступенчатой теплонасосной установки, определяемая коэффициентом преобразовании μ повысится.
На фиг. 2 представлена схема трехступенчатой теплонасосной установки, где эта установка содержит испаритель 1 с греющей полостью 2, компрессор 3 первой ступени, конденсатор 4 первой ступени с выполненными в нем охлаждающей полостью 5 и греющей полостью 6, сепаратор 7 первой ступени, переохладитель 8 хладагента первой ступени с охлаждающей полостью 9 первой ступени, с второй охлаждающей полостью 10 промежуточной второй ступени, с третей охлаждающей полостью 11 последней третей ступени и с греющей полостью 12 первой ступени. Установка так же содержит компрессор 13 промежуточной ступени, промежуточный конденсатор 14 с охлаждающей полостью 15 и греющей полостью 16, сепаратор 17 промежуточной второй ступени, переохладитель 18 промежуточной ступени с греющей полостью 19, с первой охлаждающей полостью 20 промежуточной ступени и с второй охлаждающей полостью 21 последней ступени, компрессор 22 последней ступени, конденсатор 23 последней ступени с выполненными в нем охлаждающей полостью 24 и греющей полостью 25, переохладитель 26 хладагента последней ступени с греющей полостью 27 и первой охлаждающей полостью 28. Выход жидкой фракции хладагента сепаратора 7 первой ступени последовательно сообщен с охлаждающей полостью 9 переохладителя 8 первой ступени, с дросселем 29 первой ступени, с греющей полостью 2 испарителя 1, с компрессором 3 первой ступени, с охлаждающей полостью 5 конденсатора 4 первой ступени и входом сепаратора 7 первой ступени. Выход паровой фракции хладагента сепаратора 7 первой ступени, последовательно сообщен с компрессором 13 промежуточной ступени, с охлаждающей полостью 15 промежуточного конденсатора 14, с входом промежуточного сепаратора 17. Выход жидкой фракции хладагента промежуточного сепаратора 17, последовательно сообщен с первой охлаждающей полостью 20 переохладителя 18 промежуточной ступени, с второй охлаждающей полостью 10 переохладителя 8 первой ступени, с дросселем 30 промежуточной ступени и греющей полостью 2 испарителя 1. Выход паровой фракции хладагента сепаратора 17 промежуточной ступени, последовательно сообщен с компрессором 22 последней ступени, с охлаждающей полостью 24 конденсатора 23 последней ступени, с охлаждающей полостью 28 переохладителей 26 последней ступени, с второй охлаждающей полостью 21 переохладителя 18 промежуточной ступени, с третьей охлаждающей полостью 11 переохлодителя 8 первой ступени, с дросселем 31 последней ступени и с греющей полостью 2 испарителя 1. Установка дополнительно содержит датчики 32 и 33 уровня жидкой фракции хладагента сепараторов 7 и 17 соответственно первой и второй ступени и исполнительные механизмы 34 и 35. Выходы каждого датчика 32 и 33 сообщены соответственно с входами исполнительных механизмов 34 и 35, которые подключены соответственно к дросселю 29 первой ступени и к дросселю 30 второй ступени и регулируют их положение. При этом количество хладагента, проходящего через дроссели 29, 30 и 31 каждой ступени, были выполнены с возможностью обеспечения расходов хладагента, определяемых зависимостью
0
1
2
2
1
к1
1
0
2
3
2
2
К2
2
0
3
3
B1
B2
B1
B2
Трехступенчатая теплонасосная установка работает следующим образом. Хладагент с давлением P из греющей полости 2 испарителя 1 с суммарным расходом (G+G+G) поступает в компрессор 3, который сжимает хладагент до давления P при этом за счет сжатия происходит нагрев хладагента до температуры T. Далее хладагент поступает в охлаждающую полость 5 конденсатора 1, где за счет отвода теплоты рабочему телу, поступающему в греющую полость 6, происходит конденсация хладагента. Из охлаждающей полости 5 парожидкостная смесь поступает в сепаратор 7, где происходит разделение смеси на жидкую и паровую фракцию. Жидкую фракцию с расходом G, прошедшую через охлаждающую полость 9 переохладителя 8 редуцируют до давления P и направляют в греющую полость 2 испарителя 1, где из-за низкого давления жидкая фракция хладагента переходит в паровую фракцию за счет охлаждения низкопотенциального источника в испарителе 1. Паровая фракция хладагента с расходом (G+G) из сепаратора 7 поступает в компрессор 13 второй ступени, который нагнетает хладагент до давления P. Далее хладагент под давлением P и с температурой P последовательно поступает в охлаждающую полость 15 конденсатора 14 и сепаратор 17, где парожидкостная смесь разделяют на жидкую и паровую фракции. Жидкая фракция с расходом G последовательно охлаждается в охлаждающих полостях 20 и 10 и поступает в редуктор 30, который редуцирует хладагент до давления P, далее он попадает в охлаждающую полость 2 испарителя 1. Паровая фракция хладагента с расходом G из сепаратора 17 последовательно поступает в компрессор 22 и с давлением ,равным P, в охлаждающую полость 24 конденсатора 35, где из паровой фракции хладагент переходит в жидкую фракцию, в охлаждающие полости 28, 21 и 11, в редуктор 31 и греющую полость 2 испарителя 1. Рабочее тело с расходом W кг/с и температурой T последовательно проходя через греющие полости 12, 6, 19, 15, 27 и 24, нагревается до температуры T. Так для трехступенчатой теплонасосной установки, работающей на хладагенте R-600, как показано выше, при нагревании рабочего тела от T=10°C до T=80°C коэффициент преобразования будет равен μ=4,95, что по сравнению с одноступенчатым имеет выигрыш Δμ=20%.
Таким образом, высокий коэффициент преобразовании многоступенчатой теплонасосной установки в заявленном техническом решении приводит к снижению уровеня потребления энергии работы компрессоров, что обеспечивает повышение эффективности заявленного технического решения по сравнению с известным.
Из приведенных примеров видно, что предлагаемая многоступенчатая теплонасосная установка обладает высокой эффективностью и, в частности, составляет 20%.