В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).
В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно – принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, – однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально – ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру.
Достоинства компрессионных тепловых насосов. Главное достоинство этого типа тепловых насосов – их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 – то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла – сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте. При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.
Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности – ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным.
Недостатки компрессионных тепловых насосов. К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, – совсем не редкость. Ещё одна особенность – довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.
Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора – поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды – такие ситуации не возникают.
Использование компрессионных тепловых насосов. В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование.
Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы. Абсорбционный тепловой насос (АТН) – специализированный агрегат, служащий для теплоснабжения различных объектов. Источником энергии в АТН может выступать пар, горячие технические жидкости, газы, горячая вода. Тепловой насос (ТН) представляет собой устройство по трансформации теплоты с низким значением температуры на более высокий температурный уровень. АТН подразделяются на солевые и водоаммиачные. Последние наиболее распространены. В водоаммиачном оборудовании хладагентом служит вода, а абсорбентом – водный солевой раствор, преимущественно бромистого лития LiBr.
Абсорбционные тепловые насосы отличаются от компрессионных тем, что вместо механического компрессора процесс повышения давления рабочего тела осуществляется с помощью так называемого термохимического компрессора. Его действие основано на использовании экзотермических процессов смешения и эндотермических процессов разделения. Остальные элементы ТН принципиально аналогичны.
В составе АТН присутствует несколько теплообменных аппаратов, собранных в один агрегат. Тепло -масса обменные аппараты соединены контурами, предназначенными для циркулирования абсорбента и хладагента. У абсорбционного теплового насоса принцип работы основывается на поглощении пара более низкой температуры абсорбентом, с одновременным выделением теплоты. За счет тепла от источника НПТ хладагент закипает под вакуумом. Абсорбент выкачивается в генератор, где выпаривается ранее поглощенный водяной пар. После этого солевой концентрат возвращается в абсорбер, а конденсат паров хладагента – в испаритель. В результате серии теплообменных процессов абсорбционный тепловой насос генерирует тепло, используемое для различных нужд, в зависимости от назначения абсорбционного теплового насоса и сферы его применения.
Рабочими телами в абсорбционных ТН служат бинарные смеси, состоящие из рабочего агента и абсорбента (поглотителя), имеющих различные температуры насыщения и способность в процессе смешения повышать температуру смеси. Наиболее известны пары веществ вода – аммиак и вода – бромистый литий.
В качестве примера рассмотрим принцип работы водоаммиачного абсорбционного ТН, схема которого представлена на рис. 7. Образующийся при разделении рабочего тела в генераторе (за счет подвода теплоты Q (при температуре t = 300°К=27°C) концентрированный пар аммиака низкого давления р поступает в теплообменник-охладитель, где конденсируется, отдавая в окружающую среду количество теплоты Q0 при температуре Т0. Полученный конденсат сжимается насосом до давления р2 = 1,0 МПа. При этом давлении за счет вторичного подвода теплоты Q" при температуре t = 300°К в теплообменнике-испарителе жидкость испаряется. Образовавшийся насыщенный пар высокого давления поступает в смеситель-абсорбер, где смешивается с раствором низкой концентрации. Выделяющаяся за счет абсорбции теплота вызывает нагрев смеси до температуры Т2 = 420°К. Образующийся из этой смеси в абсорбере пар с меньшей концентрацией, но с той же температурой Т2, поступает в теплообменник-конденсатор, где, конденсируясь, отдает теплоту сетевой воде, нагревая ее примерно до 370°К. Нагретую сетевую воду используют для нужд отопления и горячего водоснабжения. Образующийся в теплообменнике-конденсаторе конденсат раствора через дроссель направляется в генератор, где из него снова выпаривается аммиак. Обедненный раствор из генератора подается насосом в смеситель-абсорбер, и цикл повторяется.
