Принцип роботи теплових насосів

Принцип роботи теплових насосів

Другий початок термодинаміки говорить: «Теплота мимоволі переходить від тіл більш нагрітих до тіл менш нагрітих». А чи можна змусити тепло рухатися в зворотному напрямку? Так, але в цьому випадку будуть потрібні додаткові витрати енергії (робота).

Системи, які переносять тепло у зворотному напрямку, часто називають тепловими насосами. Тепловий насос може являти собою парокомпрессионной холодильну установку, яка складається з наступних основних компонентів: компресор, конденсатор, розширювальний вентиль і випарник. Газоподібний холодоагент надходить на вхід компресора. Компресор стискає газ, при цьому його тиск і температура збільшуються (універсальний газовий закон Менделєєва-Клапейрона). Гарячий газ подається в теплообмінник, званий конденсатором, в якому він охолоджується, передаючи своє тепло повітрю або воді, і конденсується ― переходить у рідкий стан. Далі на шляху рідини високого тиску встановлений розширювальний вентиль, понижуючий тиск холодоагенту. Компресор і розширювальний вентиль ділять замкнутий гідравлічний контур на дві частини: сторону високого тиску і сторону низького тиску. Проходячи через розширювальний вентиль, частина рідини випаровується, і температура потоку знижується.

Далі цей потік надходить у теплообмінник (випарник), пов'язаний з навколишнім середовищем (наприклад, повітряний теплообмінник на вулиці). При низькому тиску рідина випаровується (перетворюється в газ) при температурі нижче, ніж температура зовнішнього повітря або грунту. В результаті частина тепла зовнішнього повітря або грунту переходить у внутрішню енергію холодоагенту. Газоподібний холодоагент знову надходить у компресор ― контур замкнулося.

Можна сказати, що робота компресора йде не стільки на «виробництво» теплоти, скільки на її переміщення. Тому, витрачаючи всього 1 кВт електричної потужності на привід компресора, можна отримати теплопродуктивність конденсатора близько 5 кВт.

Тепловий насос нескладно змусити працювати у зворотному напрямку, тобто використовувати його для охолодження повітря в приміщенні влітку.

Принцип отримання тепла за допомогою теплового насоса відрізняється від традиційних систем нагріву, заснованих на спалюванні газу або рідкого палива, а також прямого перетворення електричної енергії в теплову. У таких системах одиниця енергії енергоносія перетвориться в неповну одиницю теплової енергії. У той час як тепловий насос, витрачаючи одиницю електричної енергії, «перекачує» в приміщення від 2 до 6 одиниць теплової енергії, забираючи її із зовнішнього повітря. Тому висока ефективність повітряного теплового насоса робить природним вибір на користь таких систем для опалення приміщень та нагрівання води на об'єктах, які мають обмежені енергоресурси.

Додатковий енергетичний та економічний ефект застосування теплових насосів заснований на створенні контуру утилізації (використання) тепла в рамках єдиної системи охолодження, опалення та нагріву води. Ця можливість затребувана на об'єктах зі значним споживанням гарячої води, наприклад, в ресторанах, фітнес-клубах, офісах і котеджах.

"1 кВт" споживана електрична потужність      + "4 кВт"теплота зовнішнього повітря      = "5 кВт" теплопродуктивність
Коефіцієнт енергоефективності теплового насоса  СОР = 5/1 кВт

Технології теплових насосів Mitsubishi Electric ZUBADAN

Для зменшення розмірів компресорів компанія Mitsubishi Electric застосовує запатентований метод термомеханічної фіксації елементів компресора всередині герметичного корпусу. Це дозволяє в компактному корпусі зовнішнього блоку побутової серії розмістити потужний компресор. Переразмеренним компресор здатний забезпечувати високу теплопродуктивність при низькій температурі зовнішнього повітря. А завдяки інверторному приводу програмно реалізована стабільна продуктивність.

Ланцюг двофазного вприскування: метод парожидкосної інжекції

Унікальна запатентована технологія двофазного упорскування холодоагенту в компресор забезпечує стабільну теплопродуктивність при зниженні температури зовнішнього повітря.

У системах ZUBADAN Inverter застосовується метод парожидкосної інжекції. У режимі обігріву тиск рідкого холодоагенту, що виходить з конденсатора, роль якого виконує теплообмінник внутрішнього блоку, трохи зменшується за допомогою розширювального вентиля LEV B. парожідкостная суміш (точка 3) надходить у ресивер «Power Receiver». Усередині ресивера проходить лінія всмоктування, і здійснюється обмін теплотою з газоподібним холодоагентом низького тиску. За рахунок цього температура суміші знову знижується (точка 4), і рідина надходить на вихід ресивера. Далі деяку кількість рідкого холодоагенту відгалужується через розширювальний вентиль LEV C в ланцюг інжекції ― теплообмінник HIC. Частина рідини випаровується, а температура суміші, що утворюється знижується. За рахунок цього охолоджується основний потік рідкого холодоагенту, що проходить через теплообмінник HIC (точка 5). Після дроселювання за допомогою розширювального вентиля LEV A (точка 6) суміш рідкого холодоагенту і утворився процесі зниження тиску пара надходить у випарник, тобто теплообмінник зовнішнього блоку. За рахунок низької температури випаровування тепло передається від зовнішнього повітря до хладагента, і рідка фаза в суміші повністю випаровується (точка 7). У результаті проходу через трубу низького тиску в ресивері «Power Receiver», перегрів газоподібного холодоагенту збільшується, і він надходить в компресор. Крім того, цей ресівер згладжує коливання проміжного тиску при флуктуаціях зовнішнього теплового навантаження, а також гарантує подачу на розширювальний вентиль ланцюга інжекції тільки рідкого хладагента, що стабілізує роботу цього ланцюга.

Теплообмінник НІС

Теплообмінник НІС в розрізі

Призначення: Рідкий холодоагент частково випаровується, і двофазна суміш рідина-газ подається на вхід інжекції компресора.

Ефект: Збільшення енергоефективності системи при роботі ланцюга інжекції хладагента.

Інжекція рідкого холодоагенту створює істотне навантаження на компресор, знижуючи його енергетичну ефективність. Для зменшення цього навантаження введений теплообмінник HIC. Передача теплоти між потоками холодоагенту з різними тисками призводить до того, що частина рідини випаровується. Новоутворена парожідкостная суміш при інжекції в компресор створює меншу додаткове навантаження.

Компресор з штуцером інжекції

Призначення: Збільшення витрати холодоагенту через компресор.

Ефект: Збільшення теплопродуктивності при низькій температурі зовнішнього повітря. Підвищення температури повітря на виході внутрішнього блоку, а також скорочення тривалості режиму відтавання.

Парожідкостная суміш, що пройшла теплообмінник HIC, надходить через штуцер інжекції в компресор. Таким чином, компресор має два входи: штуцер всмоктування і штуцер інжекції. Керуючи витратою холодоагенту в ланцюзі інжекції, вдається збільшити циркуляцію хладагента через компресор при низькій температурі зовнішнього повітря, тим самим підвищуючи теплопродуктивність системи.

У верхній нерухомою спіралі компресора передбачені отвори для уприскування холодоагенту на проміжному етапі стиснення.