Цикл теплового насоса

Энергия из природного или технологического источника тепла (1) подается полиэтиленовыми трубами (2) или при помощи вентилятора (если источник тепла воздух) в теплообменник (4). В этом теплообменнике холодная (-15°С) жидкость фреон (3), циркулируя в закрытой системе, забирает тепло от теплоносителя (-5° +8°С), превращается в пар, сжатый компрессором (5) до 28 бар, и в другом теплообменнике (6) отдает тепловую энергию (+35° +55°C) в систему отопления (8), радиаторную (9) или с подогревом пола (10), или в водонагреватель (11), далее проходит через расширительный клапан-дроссель (7) и, вновь превратившись в жидкость низкой температуры, возвращается в теплообменник (4). После этого цикл повторяется.

Кругооборот хладагента в тепловом насосе можно представить на диаграмме, которая связывает между собой энтальпию h (теплота, уходящая на испарение) и давление p (в логарифмическом представлении)t, диаграмма lg p, h. Энтальпия есть теплосодержание. Она увеличивается, когда подводится тепло. Изменения агрегатного состояния вещества хладагента происходит при постоянных температурах. Нанесённая на рисунке дугообразная кривая охватывает участок «насыщенного пара». Слева от дугообразной кривой располагается хладагент в жидком виде, справа в виде перегретого пара, «перегретый пар».

Испарение. Жидкий хладагент поступает с низким давлением (например, 4 bar) и низкой температурой (например, -3 °C) в испаритель. Температура хладагента ниже, чем источника тепла (например, 5 °C). Вследствие этого перепада температуры течёт тепловой поток, передающий тепло от источника тепла хладагенту. Хладагент испаряется (насыщенный пар) и энтальпия растёт. Необходимое для этого тепло на испарение (скрытое (латентное) тепло) забирается у источника тепла, который тем самым охлаждается (например, на 3,5 градуса K до 1,5 °C). После испарителя температура хладагента при относительно постоянном давлении повышается (например, на 2,5 °C при 4 bar). После испарения при том же давлении происходит принудительный перегрев пара хладагента для достижения уверенности в полном испарении всей жидкости (перегретого пара) (например, до 6,5 °C). Это происходит в промежуточном теплообменнике (узел перегреватель/переохладитель). Путём перегрева достигается то, что компрессор всё время питается парообразным хладагентом.

Сжатие. Парообразный хладагент всасывается и сжимается уплотнителем (компрессором). Тем самым давление парообразного хладагента поднимается (например, до 14 bar). Следствием возникшего благодаря этому повышения давления является опять-таки повышение температуры (например, 67°C). Потреблённая уплотнителем (компрессором) электрическая энергия привода превращается в как можно более высокую долю работы по уплотнению. Речь идёт о перегретом паре хладагента (перегретом паре). Подводимая к уплотнителю электрическая мощность используется для поднятия пара хладагента на более высокий уровень давления, содержание энергии в хладагенте благодаря этому повышается лишь примерно на 1/4, тем самым изменяется несущественно. Итак, добытое из окружающей среды тепло составляет и в дальнейшем бoльшую часть тепла (ок. 3/4), содержащегося в паре хладагента.

Сжижение. Доведённый до высокой температуры и находящийся под давлением пар хладагента нагнетается в ожижитель (конденсатор). Температура участка «течения вперёд» (УТВ) отопления (например, 35 °C) в конденсаторе ниже, чем температура перегретого пара хладагента (например, 67 °C). Поэтому хладагент отдаёт там свою впитанную энергию в виде полезного тепла системе отопления. Снижение температуры пара ведёт опять-таки к изменению агрегатного состояния вещества. Пар хладагента конденсируется и становится жидким. Температура хладагента снижается. Давление остаётся при этом, абстрагируясь от небольших потерь, постоянным (например, до 34 °C температуры конденсации, при ок. 14 bar). Полученная из процесса сжижения хладагента доля переданного воде отопительной системы тепла (латентное тепло) существенно выше, чем доля тепла из процесса заметного охлаждения пара хладагента (пример водяной кипятильник). После конденсации при том же самом давлении осуществляется принудительное переохлаждение пара хладагента с целью достижения уверенности в полном сжижении всех парообразных частей (например, до 25 °C). Это осуществляется также в промежуточном теплообменнике. Путём переохлаждения достигается постоянное питание расширительного клапана жидким хладагентом.

Снятие давления (декомпрессия). Расположенный между ожижителем и испарителем расширительный клапан замыкает собой контур хладагента. Через этот расширительный клапан, находящийся под высоким давлением сжижения хладагент, проходя операцию понижения давления, опускается на более низкий уровень давления (4bar). При этом опять-таки температура хладагента будет снижаться, пока не достигнет исходной температуры (-3 °C). Хладагент снова готов к приёму тепла. У теплового насоса, таким образом, закрытый цикл.

Хладагент R 407 C

Строение термостатного расширительного клапана 1 мембрана 2 капиллярная трубка 3 трубопровод выравнивания давления 4 хладагент к компрессору 5 температурный датчик 6 реryлировочная пружина 7 иголка клапана 8 хладагент от компрессора

Рисунок делает наглядным, что повышающейся температуре датчика и тем самым нарастающем давлении датчика, также как и при падающем давлении испарителя, клапан открывается шире и позволяет притекать большему количеству хладагента к испарителю. Падающее давление датчика и повышающееся давление испарителя приводят сопло в направление закрытия и уменьшают тем самым проходящий поток. Итак, расширительный клапан всё время выдаёт такое количество хладагента, которое сможет испариться, так чтобы компрессор всё время обеспечивался бы газообразным хладагентом.

Трёхходовой переключающий клапан

Сухой патрон (фильтр) Сухой патрон впаян в контуре хладагента перед ТРК (сторона высокого давления) в направлении течения. На него возложена задача устранения, при наличии, последних капелек жидкости. Вода в контуре хладагента привела бы к образованию кристаллов льда (на стороне низкого давления хладагент в большинстве случаев холоднее 0 °С). Кристaллы сели бы в расширительный клапан, и весь холодильный контур был бы рaзрушен. 1 входное ситечко 2 сушильный агент