Цикл із механічною компресією пари

Для того щоб наблизитися до ідеального циклу Карно (у тому числі й теплонасосного), необхідно здійснювати підведення теплоти при умовах близьких до ізотермічних. Тому підбирають робочі тіла, які змінюють свій агрегатний стан, при необхідних температурах і тисках. При випарі вони поглинають теплоту, а при конденсації - віддають.

Цикл із механічною компресією пари і його зображення на T - S діаграмі представлене на рис. 5.3. Він відрізняється від циклу, зображеного на рис. 5.2, тим, що замість розширювальної машини в ньому після конденсатора розташовано дросельний клапан. Відсутність розширювальної машини приводить до деякого зменшення корисної роботи в циклі (і, отже, КОП), але, з огляду на високу вартість розширювальної машини, на практиці вона в цьому циклі не застосовується. Процес розширення в дросельному клапані (соплі) необоротний, на T - S діаграмі він показаний пунктирною лінією. Його можна розглядати як адіабатичний, тобто він здійснюється без підведення або відведення теплоти.

 

 

Процеси, що відбуваються в тепловому насосі, звичайно зображують не на T - S діаграмі, а в координатах тиск - питома ентальпія (p - h). Цикл у цих координатах зображений на рис. 5.4. Стиск відбувається по лінії постійної ентропії. Стиснуте робоче тіло під високим тиском виходить із компресора (точка 1). Перш ніж пара почне конденсуватися в точці 2, її потрібно остудити при постійному тиску. Процес 2 - 3 - це процес конденсації при постійній температурі. Таким чином, у конденсатор пара надходить завжди перегрітою. Адіабатичне розширення на p - h діаграмі зображується вертикальною прямою, що є однією зі зручностей такої діаграми. Для того, щоб розрахувати весь цикл, необхідно знати стан робочого тіла тільки у двох точках: на вході й на виході з компресора. Інші процеси зображуються прямими лініями. Випар відбувається між крапками 4 і 5 при постійних тиску й температурі. Від крапки 5 до крапки 1 відбувається ізоентропійний стиск сухої пари. На практиці його реалізувати не можна, але тут ми розглядаємо ідеалізований цикл. Його ефективність менша, ніж у цикла Карно, через необоротність процесу розширення.

 

 

Підкреслимо другу важливу перевагу p-h діаграми. Оскільки на горизонтальній осі відкладається ентальпія, вона допускає прямий відлік Q_H, Q_L та W, а співвідношення Q_H = Q_L + W з діаграми очевидно. У той же час діаграма дозволяє відразу оцінити значення КОП. Для одержання високого КОП значення Q_H повинне бути велике, а W (робота стиску) повинна бути мала. Придатність того або іншого робочого тіла можна швидко оцінити при погляді на його p-h діаграму. На діаграмі доцільно провести перпендикуляр до точки 2’, тоді КОП – це відношення відрізків 3-1 і 2’-1. Очевидно, що КОП тим вище, чим менше інтервал тиску 3-4 (чи, що теж саме, чим менше інтервал температур).

Реальний цикл

Робочі цикли, описані в попередніх розділах, істотно ідеалізовані. Хоча в них ураховувалися практичні обмеження, пов'язані з необхідністю стиснення тільки сухої пари, а також відсутність розширювальної машини, припускалося, що ККД всіх елементів становить 100%. Покажемо тепер, що реальна машина відрізняється від ідеальної.

Головним компонентом теплового насоса є компресор. Раніше вже говорилося, що компресор повинен стискати тільки суху пару й робоче тіло до входу в компресор повинне бути трохи перегріто. Це показано на рис. 5.5, де робоче тіло тепер надходить у компресор у стані 5' замість 5. Перегрів створює зону безпеки для зменшення ймовірності влучення крапель рідини в компресор. Це досягається ціною деякого збільшення компресора, оскільки він повинен стискати більш розряджену пару при тій же масовій витраті. Більш серйозна проблема складається в підвищенні температури на виході з компресора, яка обмежується стійкістю вихлопних клапанів.

 

Рис. 5.5 Реальний парокомпресійний цикл

 

Інше істотне відхилення від ідеалізованого циклу обумовлюється ККД компресора. Через теплообмін між робочим тілом і компресором підвищення ентальпії в ньому більше, ніж в ідеалізованому циклі, що також підвищує вихідну температуру. На рис 5.5 це показано точкою 1. Підвищення ентальпії оцінюється ізоентропічним ККД компресора. Підвищення ентальпії в реальному компресорі позначається W', а при ідеальному ізоентропічному стиску W. Ізоентропічний ККД дорівнює W/ W'. На практиці поршневі компресори мають ізоентропічний ККД приблизно 70%. Відзначимо, що ізоентропічний стиск вимагає мінімальної роботи при неохолоджуваному компресорі. Роботу можна знизити шляхом його охолодження, але оскільки завданням теплового насоса є віддача тепла при високій температурі, таке охолодження невигідно або фактично неможливо.

Існує другий показник ефективності компресора: механічний ККД. Він показує, яка частка роботи, підведеної до вала компресора, віддана робочому тілу:

Звичайно він дорівнює 95%. Помітимо, що обидва ці ККД однаково важливі, тому що вони впливають на КОП реального теплового насоса.

Втрати є й в інших елементах робочого циклу, а не тільки в компресорі. Коли робоче тіло проходить через теплообмінник, тиск трохи падає. Звичайно прагнуть підтримувати швидкість досить високою й виключити застійні зони, у яких збирається масло. Вплив цього падіння тиску проявляється у відхиленні від ізотермічних умов при теплообміні (див. рис. 5.5). Звичайне відхилення не перевершує градуса, і на рисунку його вплив трохи перебільшений. Воно проявляється як у випарнику, так і в конденсаторі.

Останнє відхилення від реального циклу, що тут розглядається, пов'язане з переохолодженням. В ідеальному циклі дроселювання починалося від точки 3 на лівій прикордонній кривій. Однак будь-які втрати в трубопроводах між конденсатором і дроселем викликають деякий випар, що погіршує роботу дроселя. Бажано ввести переохолодження до точки 3'. переохолодження також знижує частку пари, що надходить у випарник, але щоб здійснити переохолодження, потрібно мати теплоносій з досить низькою температурою. Вода або повітря, що відводять тепло від конденсатора, не можуть служити для цього, тому що завдання теплового насоса складається в підтримці їхнього потоку максимально нагрітим.

Трохи раніше була пояснена необхідність перегріву робочого тіла після випарника, що привело до зручного й елегантного рішення: тепло, яке відводиться від конденсатора при переохолодженні з температурою Т_Н, використовується для перегріву засмоктуваної в компресор пари з температурою Т_L шляхом встановлення проміжного теплообмінника – переохолоджувача (рис. 5.6).

 

 

 

Відмітимо, що переохолоджувач не впливає безпосередньо на КОП, оскільки надлишок ентальпії, отриманий при високій температурі між точками 3 і 3’, не віддається споживачеві, а використовується усередині циклу між точками 5 і 5’ (див. рис. 5.5). Однак побічно переохолоджувач підвищує КОП, оскільки дозволяє сприймати тепло при Т_L більш близько до ізотерми.