Конструкції теплових насосів. До основних елементів теплових насосів належить робоче тіло (робоче середовище), компресор, теплообмінник

До основних елементів теплових насосів належить робоче тіло (робоче середовище), компресор, теплообмінник, приводний двигун.

Робоче середовище. Серед термодинамічних властивостей пари робочих середовищ найбільш важливою є максимально допустима конденсаційна температура або пов'язаний з цим тиск. Тиск, межі якого залежать від компресора, визначає також і температуру опалення. Робота теплового насоса характеризується коефіцієнтом перетворення (КОП).

Найбільш часто використовуються робочі середовища (таблиця 1)R-12 і R-22. Вони мають відповідно максимальну конденсаційну температуру 80 і 60°С, а опалювальна температура складає відповідно 70 і 50°С. Хороші властивості має аміак, за допомогою якого можна отримати і більш високу конденсаційну температуру. Недоліком аміаку є висока токсичність. В абсорбційних теплових насосах найчастіше використовують пари середовищ NН₃/H₂О і H₂О /LiВr.

Таблиця 1 – Робочі середовища теплових насосів

Хлорофторвуглецеві (ХФВ) робочі середовища збільшують парниковий ефект на землі. За даними Intergovernment Panal on Climate change, їх внесок у цей ефект за останні 10 років складає 24%. ХФВ характеризуються впливом на потепління на землі і потенціалом озонового руйнування. Вплив емісії ХФВ на глобальне потепління характеризується GWP, величина якого залежить від часу життя холодоагенту в атмосфері Землі. Так, заборонений з 2000 р. найбільш енергетично ефективний холодоагент R-12 має надзвичайно високе значення GWP = 4500, що еквівалентне викидам СО₂ при виробництві 4000 кВтгод електроенергії. Навіть з урахуванням невеликої маси холодоагенту, яким заправляються холодильники і теплові насоси за час їх експлуатації, прямий внесок у потепління залишається достатньо високим. Тому в найближчі роки основним робочим тілом побутової холодильної техніки буде холодоагент R-134a, який за своїми термодинамічними і енергетичними властивостями близький до R-12 і порівняно з ним має менший GWP = 1300. Для подальшого зменшення GWP застосовують суміш R-134a і R-152 (GWP = 150). На сьогодні ця суміш як холодильний агент починає застосовуватися в холодильниках АО «Норд». Дослідження показали, що добавка до R-134a 20% R-152 а підвищує енергетичну ефективність на 1-2%.

Компресори. Розрізняють ротаційні, поршневі, гвинтові та відцентрові компресори для теплових насосів. До компресорів пред'являють такі вимоги:

— більш висока температура конденсації (біля 60°С);

— більш висока допустима температура стискування (біля 100°С);

— високий ККД;

— по можливості плавне регулювання продуктивності без її втрат;

— невисокий рівень шуму.

Ротаційні компресори працюють при низьких тисках і ступенях стискування. Вони застосовуються при потужностях привода до 5 кВт, вихідному тиску до 1 МПа.

Поршневі компресори найбільш розповсюджені в теплових насосах. Великі компресори досягають потужності 100-150 кВт, а невеликі конкурують з ротаційними. Поршневі компресори поділяються на відкриті та герметичні. У відкритому компресорові приводний вал виходить зовні через ущільнення в корпусі. Привод може бути електричним або від іншого двигуна. У герметичній конструкції ущільнення виключені, а привод здійснюється електродвигуном, розміщеним у середині кожуха, який герметично ущільнений (заварений). Це одночасно розв'язує дві проблеми: ліквідує витоки через ущільнення і забезпечує охолодження електродвигуна. Основні характеристики компресора, за якими він вибирається: тиск на виході, температура, різниця тисків, тиск всмоктування, відношення тисків.

Гвинтові компресори призначені для продуктивностей, які перевищують сферу застосування поршневих компресорів. Цей компресор складається з двох гвинтового виду роторів, що обертаються разом в ущільненому корпусі. Стискування проходить у зазорах між зачепленими гвинтами. Продуктивність гвинтового компресора може змінюватися ступінчасто. Завдяки відсутності робочих клапанів і вузлів передаточного механізму, таких, як шатуни і поршні, досягається більш висока надійність порівняно з поршневим компресором. Принциповим недоліком гвинтових компресорів є підвищення вартості і рівня шуму.

Приводні двигуни. Приводом компресора може служити як електродвигун, так і двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Привод від електродвигуна найбільш розповсюджений, що пояснюється його дешевизною, простотою в експлуатації і високою надійністю. Разом з тим електродвигун менш ефективний за первинною енергією. При використанні ДВЗ з'являється можливість використовувати в якості привода теплоту води, нагрітої в охолоджуючому контурі двигуна, і теплоту вихлопних газів. Для того щоб отримати 100 кВт теплової потужності, у тепловому насосі на привод компресора необхідно витратити 43 кВт електричної потужності, що еквівалентно 170 кВт від палива, спаленого на електростанції. У випадку дизельного двигуна для отримання тієї ж кількості теплоти вимагається 88 кВт потужності спаленого палива.

Теплообмінні апарати. Випаровувач у теплових насосах служить для відбирання теплоти з навколишнього середовища або від теплоносія при низькій температурі, при цьому холодоагент переходить із рідкої фази в газоподібну. У зв'язку зі значною різницею коефіцієнтів теплообміну потоку газів і рідин застосовують і різні конструкції випаровувачів для охолодження рідин і газів.

Випаровувачі для охолодження рідин залежно від конструкції поділяють на: кожухотрубні, типу «Труба в трубі», змійовикові, регісторні, пластинчасті.

Кожухотрубна конструкція найбільш широко застосовується, у випаровувачів для охолодження рідин. Рідина, що охолоджується, може проходити як усередині труб, так і між ними. Двотрубна конструкція застосовується для теплових насосів теплопродуктивністю менше 40 кВт. Перевага такої конструкції полягає в тому, що обидві рідини, що беруть участь у теплопередачі, рухаються у протитоці. У змійовиках, регісторних та пластинчастих випаровувачах холодоагент, призначений для випаровування, подається всередину змійовика, регістру або пластин. Такі конструкції застосовують у тих випадках, коли випаровувачі вбудовані у круглі або багатокутні резервуари, де протікає рідина, що охолоджується. Так як коефіцієнт теплообміну холодоагента, що випаровується, вищий, ніж при теплообміні потоку газу, в якості теплопередаючої поверхні у випаровувачах для охолодження газу завжди застосовуються труби з розвинутою поверхнею із сторони руху газу, пластинчасті і ребристі труби. Газ або повітря пропускають через пучки пластинчатих або ребристих труб під тиском. Часто застосовують вентиляційно-випаровувальні агрегати, які складаються з випаровувача, вентилятора, що створює рух повітря, і кожуху.

Конденсатори в теплових насосах служать для відведення теплоти при температурі, яка перевищує температуру навколишнього середовища. При цьому холодоагент переходить із пароподібного стану в рідинний, тобто конденсується. В якості охолоджуваної речовини для конденсаторів застосовують як рідини (особливо воду), так і гази (особливо повітря). Тип охолоджуваної речовини, яка сприймає теплоту конденсації, залежить у теплонасосному циклі від способу застосування. Використання повітря для цього має сенс тоді, коли воно являє собою речовину, до якої повинна підводиться теплота. При використанні рідин в якості охолоджуючої конденсатор речовини їх функцією часто є лише транспортування корисної теплоти від конденсатора до місця її споживання.

Конденсатори з рідинним охолодженням по конструктивному вирішенню поділяються на кожухотрубні, двотрубні і змійовиковотрубні.

Кожухотрубна конструкція найчастіше застосовується в конденсаторах. При цьому холодна речовина пропускається всередині труб, а холодоагент конденсується на зовнішній стороні труб у міжтрубному просторі. Для забезпечення більш високого нагрівання холодної речовини організується рух пари холодоагенту знизу вверх. Конструкція «труба в трубі» має перевагу у створенні повного протитоку обох речовин, завдяки чому досягається більш висока температура теплоносія на виході. У конденсаторах змійовиковотрубних конструкцій з повітряним охолодженням в якості теплопередаючого елементу завжди застосовують труби зі збільшеною поверхнею зі сторони газу. Для досягнення більшої компактності апарату і його здешевлення здійснюється вимушений рух газу або повітря через пучки ребристих труб.

Збільшення розмірів теплообмінників підвищує їх вартість, але - одночасно зменшує різницю температур між кипінням і конденсацією, а це означає збільшення КОП. Тому необхідно розрахувати оптимальний теплообмінник, виходячи з економічних міркувань. Різні підходи до цього питання обумовили те, що в умовах Англії теплові насоси мають практично вдвічі більший конденсатор порівняно з агрегатами, що випускаються в США.

Тепловий насос потрібно захищати від несприятливих умов роботи, обмерзання випаровувача, коли джерелом теплоти є вода.

Теплові насоси випускаються і широко застосовуються в усіх розвинених країнах світу. В Україні серійно випускаються теплові насоси Мелітопольським заводом холодильного машинобудування (нині AT «Реформа»).

Характеристики і типи теплових насосів, які випускає AT «Реформа», наведені в таблиці 2.

Таблиця 2 – Теплові насоси AT«Рефма» (МЗХМ)