МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергомашиностроению и может применяться в многоступенчатых теплонасосных установках, подогревающих рабочее тело от начальной температуры, равной начальной температуре низкопотенциального источника теплоты (НИТ).
H1
B2
B2
Известна многоступенчатая теплонасосная установка, содержащая последовательно установленные компрессоры первой и второй ступени, конденсатор с выполненными в нем охлаждающей и греющей полостями, переохладитель хладагента, дроссели первой и второй ступени и испаритель, при этом греющая полость конденсатора снабжена входным и выходным патрубками нагреваемого рабочего тела [Патент на полезную модель RU №121044, Кл. F25B 30/02. 26.04.2012]. Недостатком данной многоступенчатой теплонасосной установки является высокая суммарная работа всех компрессоров установки, что приводит к снижению коэффициента преобразования µ Так при нагревании рабочего тела от температуры, равной температуре НИТ (T=10-20°С), до температуры T=(80-120)°С необходимо затратить энергию на сжатие всего хладагента до давления, при котором температура насыщения должна быть равна или немного больше температуры T. У таких установок коэффициент преобразования
PT
K1
K2
µ=Q/(A+A)=3-5,
PT
где Q - теплота, ушедшая на нагрев рабочего тела,
K1
K2
A и A - работа соответственно первого и второго компрессоров.
PT
K1
K2
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является 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]. Входной патрубок нагреваемого рабочего тела сообщен с греющей полостью конденсатора. Недостатком данной многоступенчатой теплонасосной установки является относительно 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.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение энергозатрат на суммарную работу компрессоров в многоступенчатой теплонасосной установки.
Технический результат достигается тем, что 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, дополнительно содержит по меньшей мере один сепаратор и промежуточный переохладитель хладагента с охлаждающей и греющей полостями, при этом выход охлаждающей полости промежуточного конденсатора первой ступени сообщен с входом сепаратора, выход жидкой фракции хладагента сепаратора сообщен с входом охлаждающей полости переохладителя хладагента первой ступени, выход паровой фракции хладагента сепаратора сообщен с входом компрессора второй ступени, выход охлаждающей полости переохладителя хладагента последней ступени последовательно сообщен через охладжающую полость промежуточного переохладителя и дроссель последней ступени с входом испарителя, входной патрубок нагреваемого рабочего тела последовательно сообщен через греющую полость промежуточного переохладителя, греющую полость переохладителя первой ступени, греющую полость промежуточного конденсатора, греющую полость переохладителя последней ступени с входом греющей полости конденсатора.
1
1
1
2
Снижение энергозатрат на суммарную работу компрессоров может быть достигнуто за счет того, что при условии неизменной теплопроизводительности многоступенчатой теплонасосной установки нагреваемое рабочее тело, пропускаемое через греющую полость промежуточного конденсатора, отбирает у хладагента за секунду только то количество теплоты, которое необходимо, чтобы сконденсировать хладагент с секундным расходом G, прошедшим через дроссель первой ступени. При этом температура нагреваемого рабочего тела достигнет температуры насыщения хладагента, поступающего в охлаждающую полость промежуточного конденсатора. Сепаратор, установленный на выходе охлаждающей полости промежуточного конденсатора, необходим для разделения хладагента на жидкую и паровую фракции, что позволяет предотвратить попадание паровой фракции хладагента в испаритель, и тем самым привести к снижению расхода хладагента в компрессоре первой ступени и, как следствие, к снижению работы компрессора. Наличие промежуточного переохладителя позволяет дополнительно передать теплоту от жидкой фракции хладагента рабочему телу, что приведет к снижению работы компрессоров при условии неизменной теплопроизводительности многоступенчатой теплонасосной установки. Так, в частности, в двухступенчатой теплонасосной установке компрессор первой ступени совершает работу сжатия A хладагента с расходом G+G до давления, равного давлению насыщения хладагента, поступающего в охлаждающую полость промежуточного конденсатора,
1
1
1
2
A=H(G+G),
1
где H - теплоперепад, затраченный компрессором первой ступени на сжатие 1 кг. хладагента.
2
2
Дальнейшее повышение температуры нагреваемого рабочего тела происходит в конденсаторе второй ступени. При этом компрессор второй ступени совершает работу сжатия A хладагента с расходом G до давления, равного давлению насыщения хладагента, поступающего в охлаждающую полость конденсатора второй ступени,
2
2
2
А=Н×G.
2
где Н - теплоперепад, затраченный компрессором второй ступени на сжатие 1 кг. хладагента.
1
2
2
1
PT
K1
K2
Таким образом, суммарная работа двух компрессоров в заявленном техническом решении будет меньше суммарной работе двух компрессоров, каждый из которых сжимает хладагент с расходом (G+G), на величину ΔА=Н×G и, как следствие, приведет к увеличению коэффициента преобразовании µ=Q/(A+A) всей многоступенчатой теплонасосной установки.
На фиг.1 представлена схема двухступенчатой теплонасосной установки, где эта установка содержит компрессор 1 первой ступени, конденсатор 2 с выполненными в нем охлаждающей полостью 3 и греющей полостью 4 с выходным патрубком 5 нагреваемого рабочего тела, промежуточный конденсатор 6 с охлаждающей полостью 7 и греющей полостью 8, переохладитель 9 хладагента последней (второй) ступени с греющей и охлаждающей полостями соответственно 10 и 11, переохлодитель 12 хладагента первой ступени с греющей полостью 13 и охлаждающей полостью 14, последовательно сообщенной с дросселем 15 первой ступени, испарителем 16, компрессором 1 первой ступени и охлаждающей полостью 7 промежуточного конденсатора 6 первой ступени. Компрессор 17 последней (второй) ступени, последовательно сообщен через охлаждающую полость 3 конденсатора 2 с охлаждающей полостью 11 переохладителя 9 хладагента последней ступени. Установка так же содержит дроссель 18 последней (второй) ступени, сепаратор 19 и промежуточный переохладитель 20 хладагента с охлаждающей и греющей полостями соответственно 21 и 22. При этом выход 23 охлаждающей полости 7 промежуточного конденсатора 6 первой ступени сообщен с входом 24 сепаратора 19. Выход 25 жидкой фракции хладагента сепаратора 19 сообщен с входом 26 охлаждающей полости 14 переохладителя 12. Выход 27 паровой фракции хладагента сепаратора 19 сообщен с входом 28 компрессора 17 последней ступени, выход 29 охлаждающей полости 11 переохладителя 9 хладагента последней (второй) ступени последовательно сообщен через охладжающую полость 21 промежуточного переохладителя 20 и дроссель 18 последней ступени с входом 30 испарителя 16. Входной патрубок 31 нагреваемого рабочего тела последовательно сообщен через греющую полость 22 промежуточного переохладителя 20, греющую полость 13 переохладителя 12 первой ступени, греющую полость 8 промежуточного конденсатора 6, греющую полость 10 переохладителя 9 последней ступени с входом 32 греющей полости 4 конденсатора 2. Испаритель 16 содержит греющий контур 33 низкопотенциального источника теплоты.
На фиг.2 представлена схема трехступенчатой теплонасосной установки. Эта установка содержит компрессор 1 первой ступени, компрессор 48 второй ступени, конденсатор 2 с выполненными в нем охлаждающей полостью 3 и греющей полостью 4 с выходным патрубком 5 нагреваемого рабочего тела, первый промежуточный конденсатор 6 с охлаждающей полостью 7 и греющей полостью 8, переохладитель 9 хладагента последней (третьей) ступени с греющей и охлаждающей полостями соответственно 10 и 11, переохлодитель 12 хладагента первой ступени с греющей полостью 13 и охлаждающей полостью 14, последовательно сообщенной с дросселем 15 первой ступени, испарителем 16, компрессором 1 первой ступени и охлаждающей полостью 7 промежуточного конденсатора 6 первой ступени. Компрессор 17 последней (третьей) ступени, последовательно сообщен через охлаждающую полость 3 конденсатора 2 с охлаждающей полостью 11 переохладителя 9 хладагента последней (третьей) ступени. Установка содержит дроссель 18 последней (третьей) ступени, сепаратор 19 первой ступени, сепаратор 34 второй ступени, первый промежуточный переохладитель 20 хладагента с охлаждающей и греющей полостями соответственно 21 и 22, второй промежуточный переохладитель 35 с охлаждающей полостью 36 и греющей полостью 37. Установка так же содержит второй промежуточный конденсатор 38 с охлаждающей полостью 39 и греющей полостью 40, первый переохладитель 41 второй ступени с охлаждающей полостью 42 и греющей полостью 43, второй переохладитель 44 второй ступени с охлаждающей полостью 45 и греющей полостью 46 и дроссель 47 второй ступени. Выход 23 охлаждающей полости 7 первого промежуточного конденсатора 6 первой ступени сообщен с входом 24 сепаратора 19 первой ступени. Выход 25 жидкой фракции хладагента сепаратора 19 первой ступени сообщен с входом 26 охлаждающей полости 14 переохладителя 12. Выход 27 паровой фракции хладагента сепаратора 19 первой ступени сообщен с входом 49 компрессора 48 второй ступени. Выход 29 охлаждающей полости 11 переохладителя 9 хладагента последней (третьей) ступени последовательно сообщен через охладжающую полость 36 второго промежуточного переохладителя 35, охлаждающую полость 21 первого промежуточного переохладителя 20 и дроссель 18 последней (третьей) ступени с входом 30 испарителя 16. Выход 50 компрессора 48 сообщен через охлаждающую полость 39 второго промежуточного конденсатора 38 с входом 51 сепаратора 34 второй ступени. Выход 52 жидкой фракции хладагента сепаратора 34 второй ступени сообщен через охлаждающую полость 42 первого переохладителя 41 второй ступени, охлаждающую полость 45 второго переохладителя 44 второй ступени, дроссель 47 второй ступени с входом 30 испарителя 16. Выход паровой фракции сепаратора 34 второй ступени сообщен с входом 28 компрессора 17 последней (третьей) ступени. Входной патрубок 31 нагреваемого рабочего тела последовательно сообщен через греющую полость 22 промежуточного переохладителя 20, греющую полость 46 второго переохладителя 44 второй ступени, греющую полость 13 переохладителя 12 первой ступени, греющую полость 8 первого промежуточного конденсатора 6, греющую полость 37 второго промежуточного переохладителя 35 последней (третьей) ступени, греющую полость 43 первого переохладителя 41 второй ступени, греющую полость 40 второго промежуточного конденсатора 38, греющую полость 10 переохладителя 9 последней ступени с входом 32 греющей полости 4 конденсатора 2. Испаритель 16 содержит контур 33 низкопотенциального источника теплоты.
Двухступенчатая теплонасосная установка, представленная на фиг.1, работает следующим образом.
1
1
Компрессор 1 сжимает хладагент до давления P. Далее хладагент поступает в охлаждающую полость 7 промежуточного конденсатора 6 первой ступени, частично конденсируется в жидкую фракции, равной долевой части α от общего расхода хладагента, прошедшего через компрессор 1.
1
1
∑
α=G/G,
1
где G - расход жидкой фракции хладагента, прошедшей через охлаждающую полость 7,
∑
G - суммарный расход хладагента, поступивший от компрессора 1 в охлаждающую полость 7.
1
1
2
∑
1
2
2
B1
H1
2
B0
H1
0
0
1
1
2
2
∑
1
2
1
2
ВОД
B2
ТНУ
K1
K2
Далее парожидкостная смесь хладагента поступает в сепаратор 19, где происходит его разделение на жидкую и паровую фракции. Жидкая фракция хладагента с расходом G и температурой, равной температуре насыщенных паров хладагента при давлении P, поступает через охлаждающую полость 14 переохладителя 12 и дроссель 15 на вход 30 испарителя 16, где за счет подвода тепловой энергии от низкопотенциального источника теплоты жидкая фракция хладагента переходит в паровую фракцию и поступает на вход компрессора 1. Паровая фракция хладагента с расходом G=G-G из сепаратора 19 через выход 27 поступает в компрессор 17 последней ступени, где происходит дожатие хладагента до давления Р. Далее хладагент поступает в охлаждающую полость 3 конденсатора 2, где отдает тепловую энергию рабочему телу (воде) за счет перехода хладагента из паровой фазы в жидкую при температуре, равной температуре насыщенных паров хладагента при давлении P. Из конденсатора 3 жидкая фракция хладагента последовательно проходит через переохладитель 9 последней (второй) ступени, промежуточный переохладитель 20 первой ступени, дроссель 18 последней (второй) ступени и через вход 30 поступает в испаритель 16. Рабочее тело (вода) с начальной температурой T, близкой температуре T - температуре низкопотенциального источника теплоты, последовательно проходит через греющие полости переохладителей 20, 12, промежуточного конденсатора 6 переохладителя 9 и конденсатора 2. При этом температура рабочего тела на выходе из конденсатора 2 практически достигает температуры насыщения паров хладагента при давлении насыщения, равного давлению P. В качестве примера работы двухступенчатой теплонасосной установки была выбрана установка, работающая на хладагенте фреон R142b. В качестве нагреваемого рабочего тела применена вода с начальной температурой T=T=20°С. Давление насыщенных паров фреона R142b при Т=20°С равно Р=0.2904 МПа, - при Т=60°С равно P=0.888 МПа и при Т=80°С равно P=1.408 МПа. КПД компрессоров 1 и 17 равно 0.83. При суммарном расходе хладагента фреона R142b через компрессор 1, равном G=G+G=1 кг/с, через дроссель 15 пройдет хладагент с расходом, равным G=0.62 кг/с, а через компрессор 17 последней ступени пройдет хладагент соответственно G=0.38 кг/с. В этом случае расход нагреваемой воды составит С=0.997 кг/с, T=80°С и тепловая мощность, подведенная к нагреваемой воде составляет N=266 кВт. При этом мощность компрессора 1 первой ступени будет равна N=39.5 кВт, а компрессора 17 последней ступени соответственно равна N=6 кВт. Коэффициент преобразования µ двухступенчатой теплонасосной установки равен:
ТНУ
K1
K2
µ=N/(N+N)=5.85.
1
Если в двухступенчатой теплонасосной установке, рассмотренной выше, полностью перекрыть дроссель 15, то весь расход фреона R142b пройдет через компрессор 17 последней ступени и G=0. Тогда в этом случае коэффициент преобразования такой установки будет равен µ=5.02, что на 13% меньше по сравнению с предложенным техническим решением.
Трехступенчатая теплонасосная установка, представленная на фиг.2, работает следующим образом.
1
1
1
1
2
3
∑
1
2
2
2
2
3
3
3
Компрессор 1 сжимает хладагент до давления P. Далее хладагент поступает в охлаждающую полость 7 промежуточного конденсатора 6 первой ступени, частично конденсируется в жидкую фракции, равной долевой части α от общего расхода хладагента, прошедшего через компрессор 1. Далее парожидкостная смесь хладагента поступает в сепаратор 19, где происходит его разделение на жидкую и паровую фракции. Жидкая фракция хладагента с расходом G и температурой, равной температуре насыщенных паров хладагента при давлении P, поступает через охлаждающую полость 14 переохладителя 12 и дроссель 15 на вход 30 испарителя 16, где за счет подвода тепловой энергии от низкопотенциального источника теплоты жидкая фракция хладагента переходит в паровую фракцию и поступает на вход компрессора 1. Паровая фракция хладагента с расходом G+G=G-G из сепаратора 19 через выход 27 поступает в компрессор 48 второй ступени, где происходит дожатие хладагента до давления P. Далее хладагент поступает в охлаждающую полость 39 второго промежуточного конденсатора 38, частично конденсируется в жидкую фракции, равной долевой части α от общего расхода хладагента, прошедшего через компрессор 1. Далее парожидкостная смесь хладагента поступает в сепаратор 34, где происходит его разделение на жидкую и паровую фракции. Жидкая фракция хладагента с расходом G и температурой, равной температуре насыщенных паров хладагента при давлении Р, поступает через охлаждающую полость 42 переохладителя 41, охлаждающую полость 46 переохладителя 44 и дроссель 47 на вход 30. Паровая фракция хладагента с расходом G из сепаратора 34 поступает в компрессор 17 последней (третьей) ступени, где происходит дожатие хладагента до давления Р. Далее хладагент поступает в охлаждающую полость 3 конденсатора 2, где отдает тепловую энергию рабочему телу (воде) за счет перехода хладагента из паровой фракции в жидкую при температуре, равной температуре насыщенных паров хладагента при давлении Р. Из конденсатора 3 жидкая фракция хладагента последовательно проходит через переохладитель 9 последней (третьей) ступени, промежуточный переохладитель 35, промежуточный переохладитель 20 первой ступени, дроссель 18 первой ступени и через вход 30 поступает в испаритель 16.
B0
H1
0
0
1
1
2
2
3
3
В качестве примера работы трехступенчатой теплонасосной установки была выбрана установка, работающая на хладагенте фреон R142b. В качестве нагреваемого рабочего тела применена вода с начальной температурой T=T=20°С. Давление насыщенных паров фреона R142b при Т=20°С равно Р=0.2904 МПа, - при T=40°С равно P=0.5275 МПа, при Т=60°С равно P=0.888 МПа и при Т=80°С равно Р=1.408 МПа.
∑
1
2
3
1
2
2
3
3
ВОД
B2
ТНУ
K1
K2
K3
ТНУ
K1
K2
K3
КПД компрессоров 1, 48 и 17 равно 0.83. При суммарном расходе фреона R142b через компрессор 1, равном G=G+G+G=1 кг/с, через дроссель 15 пройдет фреон с расходом, равном G=0.2405 кг/с, через дроссель 47 пройдет фреон с расходом, равном G=0.3319 кг/с, через компрессор 48 второй ступени пройдет фреон соответственно G+G=0.7695 кг/с. а через компрессор 17 последней ступени пройдет фреон соответственно G=0.4376 кг/с. В этом случае расход нагреваемой воды составит G=1,047 кг/с, T=80°С и тепловая мощность, подведенная к нагреваемой воде составляет N=263,7 кВт. При этом мощность компрессора 1 первой ступени будет равна N=34.83 кВт, компрессора 48 второй ступени соответственно равна N=4.02 кВт., а компрессора 17 последней ступени соответственно равна N=6.88 кВт. Коэффициент преобразования µ трехступенчатой теплонасосной установки равен: µ=N/(N+N+N)=7.0, что по сравнению двухступенчатой теплонасосной установке, рассмотренной выше, где полностью перекрыт дроссель 15, µ=5.02, эффективность предложенной треххступенчатой теплонасосной установки составляет 28%.
1
2
3
PT
K1
K2
Таким образом, суммарная работа трех компрессоров в заявленном техническом решении будет меньше суммарной работе трех компрессоров, каждый из которых сжимает хладагент с расходом (G+G+G), как следствие, приведет к увеличению коэффициента преобразовании µ=Q/(A+A) всей многоступенчатой теплонасосной установки и, в частности, составляет 28%.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель RU №121044, Кл. F25B 30/02. 26.04.2012.
2. Патент DE №3311505, Кл. F25B 30/02. 26.03.1983