Учебное пособие Санкт-Петербург

а
= 0,06 кг/с; температура кипения Т
0
= 
3°С; температура конденсации Т
к
= 55 °С; температура теплоносителя на 
входе в испаритель от источника низкого потенциала t′
н
= 8 °С; 
температура теплоносителя (воды) на выходе из конденсатора t′′
в
 = 50 °C; 
расход теплоносителя в конденсаторе G
к
= 0,25 кг/с; перепад температур 
теплоносителя в конденсаторе ∆t
в
= 15 °C; мощность, потребляемая 
компрессором, N
э 
= 3,5 кВт; теплопроизводительность ТНУ Q
тн
= 15,7 кВт; 
коэффициент преобразования µ
тн
= 4,5. Принципиальная схема 
парокомпрессионной ТНУ приведена на рис. 6.5 и включает испаритель, 
компрессор, конденсатор и дроссель [2]. 
В бак испарения 6 поступает тепловая энергия низкого потенциала Q
0
из окружающей среды при t′
н
= 8 °С. Преобразование рабочей жидкости 
R22 (аммиака или фреона) теплового насоса в пар происходит в змеевике 
испарения хладагента 5 при пониженном давлении Р
1
и пониженной 
температуре Т
0
 = 3 °С. Компрессор 1 всасывает из испарителя насыщенный 
пар со степенью сухости x
1
≈ 1 и сжимает пар до давления Р
2
. При сжатии 
хладагента энтальпия i и температура пара повышаются до Т
к
= 55 °С, а 
затрачиваемая работа A
l
 = ∆i, кДж/кг.
Пар с температурой Т
к 
= 55 °С подается в змеевик конденсации 
хладагента 2, где тепловая энергия пара передается другому 
теплоносителю (воде) бака конденсации 3 (схема а) или воздуху (схема б), 
после чего пар конденсируется при неизменном давлении Р
2
. 
Коэффициент трансформации этого идеального цикла: 
 
где q
к
 – теплота конденсации, кДж/кг; A
l
– работа сжатия, кДж/кг; Т
к
и 
Т
0
– температура конденсации и испарения хладагента, °С. 

---

228 
Рис. 6.5. Принципиальная схема ТНУ с электроприводом: 
а – схема ТНУ для системы горячего водоснабжения; 
б – схема ТНУ для воздушного отопления или сушки; 
пар; 
смесь пара и жидкости; 
жидкость; 
1 – компрессор; 2 – змеевик конденсации хладагента; 3 – бак 
конденсации; 4 – расширительный дроссельный клапан; 5 – змеевик 
испарения хладагента; 6 – бак испарения; 7 – вода низкопотенциального 
источника энергии (НИЭ); 8 – сток к НИЭ; 9 – вода из системы отопления 
или водопровода; 10 – вода на отопление или горячее водоснабжение; 11 – 
вентилятор 
В дроссельном клапане 4 происходит понижение давления от Р
2
до Р
1
, 
жидкий хладагент частично испаряется и образуется парожидкостная 
смесь со степенью сухости x
0
≈ 0,05, а в процессе дросселирования (при i = 
const) температура хладагента снижается от Т
к
= 55 °С до Т
0
= 3 °С.
Парожидкостная смесь поступает в змеевик испарения хладагента 5, 
где, получая теплоту от источника с низким потенциалом, вновь 
испаряется, и цикл повторяется. Таким образом, в ТНУ реализуется 
непрерывный круговой процесс переноса теплоты с более низкого 
температурного уровня на более высокий (к теплоносителю). Для этого 
подводится энергия извне, которая затрачивается на повышение давления 

---

229 
парообразного рабочего вещества (хладагента). Причем затраченная 
энергия может быть электрическая, тепловая и любая другая.
Количество теплоты, отнятой от источника с низким потенциалом 
(НИЭ), в идеальном цикле ТНУ равно теплоте испарения жидкого 
хладагента, поступившего в испаритель: q
и
= r(x
1
− x
0
), кДж/кг, где r – 
теплота парообразования. Холодильный коэффициент этого цикла
 
где q
и
– теплота испарения хладагента, кДж/кг.
Для идеального (теоретического) цикла ТНУ и без учета потерь 
теплоты выполняется соотношение µ
с
 = ε
с
 + 1.
Мерой энергетической эффективности реальной ТНУ служит 
коэффициент преобразования энергии µ
тн
, характеризующий отношение 
отданной потребителю теплоты Q
к
к затраченной (механической или 
электрической) энергии N
э
. Оценки показывают, что для удачно 
спроектированных систем теплоснабжения коэффициент µ
тн
изменяется от 
2,5 до 6…8, а при µ
тн
> 2,5…3 использование ТНУ может оказаться 
выгоднее, чем теплоснабжение от ТЭЦ и индивидуальных котельных.
Количество переданной потребителю полезной теплоты, или 
теплопроизводительность ТНУ зависит от расхода теплоносителя G
к
, кг/с, 
средней массовой изобарной теплоемкости с
к
, кДж/(кг⋅К) и перепада 
температур ∆t
в
, °C. Так, при нагреве воды по схеме а (рис. 6.5)
При нагреве воздуха по схеме б (рис. 4.1), когда расход холодного 
воздуха G
к
= 0,5 кг/с, теплоемкость с
к
= 1 кДж/(кг 
⋅ К) и перепад 
температур ∆t
в
= 25 °C, теплопроизводительность ТНУ составит 
 
Коэффициент преобразования энергии µ
тн
, характеризующий 
отношение отданной потребителю теплоты Q
к
к потребляемой 
компрессором электрической энергии N
э
= 3,5 кВт, составит 
соответственно:
• для воды µ
тн
 = Q
к
/N
к
= 15,7/3,5 = 4,5;
• для воздуха µ
тн 
= Q
к
/N
к
= 12,5/3,5 = 3,6.
Следовательно, если на механическую работу компрессора 
расходуется 1 кВт электроэнергии, то в систему теплоснабжения 
передается 4,5 кВт теплоты, т.е. в несколько раз больше, чем при чисто 
электрическом отоплении. Работа электрического компрессора теплового 
насоса позволяет потреблять в несколько раз меньше электрической 
энергии, если бы нагревали теплоноситель системы теплоснабжения в 
теплообменнике простым электрическим нагревателем.
Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) с приводом от 
теплового двигателя (газовой турбины или дизеля) оказываются еще более 
экономичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35 %, при работе 

---

230 
в составе ТНУ может быть утилизирована и направлена в общий поток 
нагреваемой ТНУ среды большая часть потерь, которые воспринимаются 
охлаждающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате 
коэффициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 
раза, а экономичность ТНУ обеспечивается при µ
тн
> 2.
По конструкции, принципу действия, составу оборудования, 
используемым рабочим телам ТНУ практически не отличаются от широко 
распространенных холодильных машин. Тепловые насосы в сравнении с 
холодильными машинами работают в диапазоне более высоких рабочих 
температур. Особенно выгодно применение тепловых насосов (ТН) при 
одновременной выработке теплоты и холода, что может быть реализовано 
в ряде промышленных и сельскохозяйственных производств, а также в 
системах кондиционирования воздуха.
В условиях реальной рыночной экономики тепловые насосы имеют 
перспективу теплоэнергоснабжения в основных областях хозяйства: 
жилищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в 
курортно-оздоровительных 
и 
спортивных 
комплексах, 
сельскохозяйственном производстве.