В данной статье рассматривается устройство теплонасосной установки. Описывается её область применения, основные технологические параметры и способы их регулирования. Выдвинута гипотеза, что возможно использование второго компрессора вместо дросселя. Определена цель исследования и сформулированы задачи для её решения. Проведен сравнительный анализ существующих компрессоров по принципу их действия. Выявлены недостатки существующих принципов регулирования параметров, на основе которых предложена конструктивная схема ТНУ на базе поршневого компрессора.
Ключевые слова:теплонасосная установка, тепловой насос, холодильная машина, хладагент, обратный цикл Карно, компрессор, дроссель.
Теплонасосной установкой (ТНУ) называется устройство для переноса тепловой энергии от менее нагретой среды (источник) к более нагретой (потребитель) [1]. Другими словами тепловой насос позволяет использовать накопленную в окружающей среде низкопотенциальную энергию на различные нужды. Схематичное представление устройства ТНУ представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Устройство ТНУ
Область применения ТНУ: отопление и кондиционирование помещений; утилизация теплоты сточных вод; осушение воздуха внутри помещений.
Основными технологическими параметрами теплонасосной установки являются:
- производительность (количество перенесенной тепловой энергии за единицу времени);
- температура испарителя;
- температура конденсатора.
При отклонении температуры источников тепловой энергии от номинальных значений, на которую конструктивно настроена ТНУ, эффективность работы резко снижается [2]. Поэтому на территории РФ теплонасосные установки широкого применения не нашли. Для расширения области применения теплонасосной установки необходимо иметь возможность настраивать оборудование под температуру источников тепловой энергии.
В связи с этим была выдвинута гипотеза.
Использование второго компрессора вместо регулирующего давление дросселя позволит обеспечить управление несколькими параметрами ТНУ. В данном случае под параметрами понимаются: температура испарителя и конденсатора; теплопроизводительность и холодопроизводительность.
Цель данного исследования: обеспечить независимое регулирование технологических параметров теплонасосной установки по контуру нагрева и по контуру охлаждения.
Для решения этой цели были поставлены задачи исследования:
-проанализировать конструкции существующих теплонасосных установок;
-выявить принципы регулирования параметров теплонасосной установки;
-разработать конструкцию теплонасосной установки, обеспечивающую независимое регулирование параметров;
-разработать методику расчетов режимов работы теплонасосной установки для регулирования технологических параметров.
Для регулирования производительности теплонасосных систем существует различное электрооборудование. Так, например, для автоматического регулирования некоторых процессов, применяются датчики давления и температуры [3]. Сигналы, полученные от датчиков, обрабатывают управляющие электронные блоки, которые в зависимости от входных сигналов позволяют осуществлять регулировку сигналов на выходе. Применение такой системы автоматики исключает из работы человеческий фактор. Но использование только автоматизированной системы управления осуществляющей включение на полную мощность и отключение компрессора теплонасосной установки характеризуется резкими изменениями величины питающего напряжения сети при той же частоте. Эти изменения пагубно влияют на срок эксплуатации компрессора, уменьшая его. Таким образом, осуществляется регулирование работы компрессоров большинства современных бытовых холодильников (Рисунок 2а).
Другой способ регулирования системы - это использование инверторных преобразователей частоты и напряжения. Контроль осуществляется все так же с помощью датчиков температуры и давления, но путем плавного изменения входных параметров компрессора. Благодаря этому обеспечивается плавный пуск компрессора, что снижает пусковые токи и резкие динамические нагрузки на механизмы. Это позволяет осуществлять регулировку производительности системы бесступенчато, с меньшим энергопотреблением и уровнем шума (Рисунок 2б).
 |
К недостаткам системы регулирования параметров теплонасосной установки, как для классического варианта, так и для инверторного можно отнести отсутствие возможности поддерживать требуемые значения параметров сразу в конденсаторе и испарителе. То есть рассмотренные системы позволяют регулировать либо температуру охлаждения (например, в камере бытового холодильника), либо температуру нагрева (например, в бойлерной, обогревающей свинарник).
а - классический способ; б - инверторный способ
Рис. 2. Способы регулирования работы компрессора
По принципу действия все компрессоры можно разделить на две большие группы: динамические и объёмные [4].
В машинах объёмного принципа действия рабочий процесс осуществляется в результате изменения объёма рабочей камеры. Номенклатура машин данного типа разнообразна, и насчитывает более десятка. Основные из них: поршневые, винтовые, роторно-шестерёнчатые, мембранные, жидкостно-кольцевые, спиральные, компрессор с катящимся ротором и другие.
В компрессорах динамического принципа действия газ сжимается в результате подвода механической энергии от вала, и дальнейшего взаимодействия рабочего вещества с лопатками ротора. В зависимости от направления движения потока и типа рабочего колеса такие машины подразделяют на центробежные, осевые, струйные, вихревые и т.д.
Из всех конструкций особое внимание получил и был рассмотрен поршневой компрессор, который может обеспечить регулирование степени сжатия хладагента. Это регулирование необходимо, так как температуры контура нагрева и контура охлаждения зависят от давлений в контурах. Например, при увеличении степени сжатия компрессора изменяется давление, как в контуре нагрева, так и в контуре охлаждения. Таким образом, производительность компрессора растет, но при этом пропускная способность дросселя остается неизменной. Другими словами, регулирование какого либо одного параметра влечет за собой изменение остальных параметров. Поэтому необходимо создать конструкцию ТНУ, позволяющую регулировать пропускную способность дросселя одновременно с производительностью компрессора. Это возможно осуществить при разделении контуров, чего можно добиться заменой дросселя на ещё один компрессор (рисунок 3).
Рис. 3. Предлагаемая двухкомпрессорная схема ТНУ
Литература:
1. Бамбушек Е.М., Бухарин Н.Н., Герасимов Н.А. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Е.М. Бамбушек. – Л.: Машиностроение, 1987. – 423 с.
2. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок / А.И. Андрющенко. – М.: «Высшая школа», 1977. – 280 с.
3. Быков А.В., Калнинь И.М., Краузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы / А.В. Быков. – М.: «Агропромиздат», 1988. – 288 с.
4. Абдурашитов С. А. Насосы и компрессоры / С.А. Абдурашитов. – М.: «Недра», 1974.
