Как воздушные тепловые насосы справляются со сверхнизкими температурами?

Воздушные тепловые насосы завоевали популярность на рынке благодаря своей эффективности и экологическим преимуществам. Однако производительность может существенно различаться в зависимости от нескольких факторов. В более холодном климате эффективность этих насосов снижается, а образование инея во время отопления может серьезно повлиять как на эффективность, так и на надежность. Для решения этих проблем были достигнуты успехи в технологиях и дизайне, расширяющие функциональность и возможности применения воздушных тепловых насосов в различных средах.

Достижения в технологии многоступенчатого сжатия

Технология сжатия с переменной частотой является одним из эффективных методов повышения теплопроизводительности воздушных тепловых насосов. В условиях низких температур увеличение скорости компрессора может значительно увеличить объем его выхлопных газов, тем самым улучшая теплопроизводительность воздушного теплового насоса. Однако технология переменной частоты не повышает энергоэффективность системы. Для одновременного повышения теплопроизводительности и низкотемпературной энергоэффективности была разработана технология многоступенчатого сжатия.

В зависимости от количества ступеней сжатия и структуры цикла многоступенчатые компрессорные тепловые насосы с воздушным источником можно разделить на каскадные циклы, двухступенчатые/многоступенчатые сжатия и т. д. Для повышения теплопроизводительности одноступенчатых компрессорных систем при низких температурах окружающей среды необходимо Хладагент можно впрыскивать непосредственно в камеру сжатия во время процесса сжатия, известного как квазидвухступенчатое сжатие. Поскольку квазидвухэтапные циклы сжатия имеют характеристики двухэтапного сжатия, в этой статье они будут включены в число циклов двухэтапного сжатия для обсуждения.

Каскадные воздушные тепловые насосы

Из-за низкой температуры окружающей среды степень сжатия в системе высока, работа сжатия велика, а потери на дросселирование значительны, что в конечном итоге приводит к низкой энергоэффективности теплового насоса. Чтобы уменьшить потери и повысить эффективность, в каскадных системах тепловых насосов с воздушным источником используются два последовательных цикла сжатия пара, чтобы заменить один цикл, чтобы уменьшить степень сжатия одноступенчатого цикла.

Как показано на рисунке, каскадная система состоит из двух независимых циклов сжатия пара: один — низкотемпературный, другой — высокотемпературный. Эти два цикла соединены общим промежуточным теплообменником, который также служит конденсатором для низкотемпературного цикла и испарителем для высокотемпературного цикла. Зимой низкотемпературный цикл поглощает тепло из окружающего воздуха через испаритель и повышает температуру до более высокой температуры, чтобы служить источником тепла для высокотемпературного цикла; в высокотемпературном цикле тепло дополнительно повышается до температуры, необходимой для обогрева помещения.

При использовании каскадного теплового насоса с воздушным источником степень сжатия цикла значительно снижается, уменьшая общие потери на сжатие и потери на дросселирование, тем самым повышая энергоэффективность теплового насоса с воздушным источником. Более того, в зависимости от различных условий работы на высоко- и низкотемпературных стадиях каскадного цикла могут использоваться разные хладагенты. Поскольку каскадная система может быть реализована с использованием двух простых одноступенчатых систем, она уже много лет используется в системах отопления и горячего водоснабжения. Однако разница температур при теплообмене промежуточного теплообменника в каскадном цикле неизбежно приводит к определенным потерям эффективности; кроме того, каскадный цикл требует двух компрессоров и дополнительного теплообменника, что делает его более затратным по сравнению с одноступенчатыми циклами.

Преимущества тепловых насосов с двухступенчатым сжатием воздуха

Двухступенчатый тепловой насос с источником сжатого воздуха соединяет два холодильных цикла вместе и может рассматриваться как упрощенная форма каскадной системы. Как показано на рисунке, в зависимости от различных используемых экономайзеров двухступенчатые воздушные тепловые насосы с сжатием воздуха можно разделить на два типа: системы с испарительным резервуаром (FT) и системы с промежуточным теплообменником (IHX).

В системе испарительного резервуара жидкий хладагент, выходящий из внутреннего конденсатора, разделяется на две фазы и затем поступает в испарительный резервуар, где двухфазный хладагент разделяется на насыщенный пар и насыщенную жидкость; насыщенный пар хладагента смешивается с выхлопным хладагентом из компрессора ступени низкого давления, а затем снова сжимается компрессором ступени высокого давления, насыщенная жидкость дросселируется вторым расширительным клапаном и поступает в испаритель наружного блока для испарения в газ, а затем поступают в компрессор ступени низкого давления, после чего смешиваются с газом среднего давления из расширительного бака.

В системе промежуточного теплообменника жидкий хладагент на выходе из конденсатора напрямую разделяется на два пути: основной поток и ответвленный поток. Хладагент отводного потока дросселируется до промежуточного давления и поступает в промежуточный теплообменник, где низкотемпературный хладагент охлаждает хладагент основного потока до переохлажденного состояния, хладагент отводящего потока поглощает тепло, переходит в состояние насыщенного пара или перегретого и смешивается с выхлопными газами. из компрессора ступени низкого давления, затем поступает в компрессор ступени высокого давления для дальнейшего сжатия. Переохлажденный хладагент из выпускного отверстия основного потока промежуточного теплообменника дросселируется через испаритель и, наконец, возвращается в компрессор ступени низкого давления, сжимается до промежуточного давления и смешивается с хладагентом ответвленного потока.

Квази-двухступенчатое сжатие для универсальности

Как показано на рисунке, квазидвухступенчатые тепловые насосы с источником воздуха (также известные как системы подпитки) очень похожи на двухступенчатые системы сжатия. Разница заключается в том, что при квазидвухступенчатом сжатии хладагент из расширительного бака или промежуточного теплообменника впрыскивается в камеру сжатия компрессора, а не между двумя последовательными компрессорами.

Таким образом, квазидвухступенчатые тепловые насосы можно рассматривать как упрощенную форму двухступенчатых тепловых насосов, в которой используются специально разработанные подпиточные компрессоры для замены двух компрессоров, что позволяет избежать проблемы выравнивания масла между двумя компрессорами и снизить затраты на систему. Что еще более важно, закрыв клапан на подпиточной ветке, квазидвухступенчатые системы могут гибко переключаться в режим одноступенчатого цикла, тем самым оптимизируя производительность квазидвухступенчатых тепловых насосов зимой и летом. По этой причине в последние годы в низкотемпературных тепловых насосах широко применяется технология квазидвухступенчатого сжатия.

Замена хладагента

Переход к экологически чистым и эффективным хладагентам имеет решающее значение для развития воздушных тепловых насосов. Традиционные хладагенты, такие как R22 и R410A, заменяются альтернативами, такими как R290, R32, R744 и R161, среди прочих. Каждый из этих хладагентов имеет свои преимущества и особенности, особенно в отношении их воздействия на окружающую среду, эффективности и стандартов безопасности. По мере развития технологий внедрение этих альтернатив в сочетании с передовыми конструкциями систем будет продолжать улучшать производительность и применимость воздушных тепловых насосов.

Благодаря постоянным инновациям и исследованиям воздушные тепловые насосы становятся более надежными, эффективными и пригодными для более широкого спектра климатических условий и применений. Интеграция передовых технологий сжатия и переход на экологически безопасные хладагенты занимают центральное место в этой эволюции, прокладывая путь к устойчивым и эффективным решениям в области отопления.

Заключение

Воздушные тепловые насосы находятся на переднем крае технологий отопления и охлаждения, предлагая устойчивую и эффективную альтернативу традиционным системам. Благодаря внедрению технологий многоступенчатого сжатия и экологически чистых хладагентов эти системы постоянно развиваются, чтобы обеспечить лучшую производительность, адаптируемость и снижение воздействия на окружающую среду. Благодаря постоянным исследованиям и инновациям воздушные тепловые насосы станут еще более привлекательным вариантом для широкого спектра жилых и коммерческих применений, продвигая будущее устойчивого отопления и охлаждения.