Из всех типов тепловых насосов (ТН) наибольшее распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы. В связи с этим становится необходимым использовать все возможные резервы их совершенствования.
Принцип работы теплового насоса заключен в следующем — в результате подвода низко потенциальной теплоты в испаритель теплового насоса (рис. 1) происходит кипение рабочего тела, пары которого сжимаются в компрессоре с повышением энтальпии и температуры за счет работы сжатия. В конденсаторе теплота охлаждения паров и фазового перехода рабочего тела передается технологическому теплоносителю (приемнику теплоты).
Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (а)
Цикл парокомпрессионного ТН в Т, s — диаграмме (б): К — конденсатор; И — испаритель; КМ – компрессор; Д – дроссель; ПД – приводной двигатель; 
– отводимая и подводимая теплоты в конденсаторе и испарителе ТН соответственно.
На рисунке 1 Б изображен круговой процесс идеальной парокомпрессионной теплонасосной установки в T, s — диаграмме, на которой (7–2) изоэнтропийное сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; (2–3) изобарная конденсация рабочего тела; (3–4) изоэнтропийное расширение в детандере до давления в испарителе; (4–1) изобарно-изотермическое кипение (испарение) рабочего тела.
Существуют две группы параметров, характеризующих качество и эффективность использования тепловых насосов: технические, которые отражают техническое качество ТН и эффективность рабочих процессов в его элементах, и параметры, которые отражают термодинамическую и экономическую эффективность использования ТН в заданных условиях.
К техническим параметрам относятся: использование определенного рабочего вещества, потери на дросселирование, адиабатный КПД и отношение давлений в цикле ТН, коэффициент совершенства (полный КПД) ТН и др. Эти параметры за последние 20–25 лет стабилизировались и примерно одинаковы для ТН различных фирм. Основным термодинамическим и экономическим параметром является действительный коэффициент преобразования энергии в тепловом насосе 
. Он в основном зависит от разности температур холодного и горячего теплоносителей и меньше — от средней разности температур при теплопередаче в испарителе и конденсаторе ТН, т. е. от температурных условий, заданных при проектировании или сложившихся при эксплуатации ТН.
В компрессионных ТНУ имеют место следующие необратимости:
− внутренние — процесс сжатия в компрессоре и процесс дросселирования;
− внешние необратимости, возникающие в результате теплообмена при конечной разности температур в конденсаторе и в испарителе.
Термодинамическую эффективность цикла можно выразить следующей формулой:
(1)
где
коэффициент преобразования действительного (реального) и идеального теплового насоса соответственно.
Действительный цикл можно представить как результат, полученный после очередного изменения, идеального обратимого цикла Карно (рисунок 2). На рисунке 2, цикл 1 представлен идеальный обратимый цикл Карно для данных постоянных температур источников тепла 
. Рисунке 2, цикл 2 представляет внешне необратимый цикл Карно, когда передача тепла между рабочим телом и источником тепла осуществляется при конечной разности температур и степень термодинамического совершенства в этом случае 
< 1. На рисунке 2, цикл 3 показано дальнейшее изменение цикла при наличии внутренней необратимости процесса дросселирования. При этом 
. Схема рисунка 2, цикл 4 учитывает действительный процесс в конденсаторе, где пар перегрет и 
. Наконец, мы переходим к действительному циклу, в котором имеется также необратимость процесса в компрессоре (рисунок 2, цикл 5).
Для этого цикла рекомендуется:
(2)
Степень совершенства ТНУ определяется:
(3)
где 
— степень совершенства необратимости цикла Карно; 
— коэффициент, учитывающий приближение эталонного цикла к необратимому циклу Карно; 
– коэффициент, учитывающий степень обратимости процесса сжатия в компрессоре; 
– коэффициент, учитывающий приближение рабочего цикла к обратимому циклу Карно – степень совершенства теплового насоса; 
— индикаторный КПД для крупных холодильных поршневых компрессоров, принимается 0,7–0,8; 
,
– механические и электрические КПД установки. Т,
– верхняя и нижняя температура внешних источников тепла, К.
Рис. 2. Переход от цикла Карно к действительному: 1 — цикл Карно; 2 — необратимый цикл; 3 – без перегрева; 4 — с перегревом; 5 — реальный цикл
Выясним теперь влияние изменения 
Степень термодинамического совершенства для цикла ТНУ можно выразить, но формуле 2 выше. Подставив соответствующие значения 
, получим:
(4)
Проанализируем влияние изменения 
(температуры и температурные напоры в конденсаторе и испарителе соответственно) на степень термодинамического совершенства в случае, когда остальные величины остаются постоянными:
(5)
Из уравнения 5 видно, что 
уменьшается с увеличением 
Аналогично:
(6)
При сопоставлении уравнений 5 и 6 видно, что изменение 
в большей степени влияет, на 
, чем изменение 
. Рассмотрим теперь влияние 
па степень совершенства цикла:
(7)
Анализа уравнения 7 показывает, что при увеличении 
степень совершенства термодинамического цикла уменьшается.
Наконец рассмотрим влияние изменения
на:
(8)
Как видно из уравнения 8 увеличивается с повышением 
. Таким образом, при прочих равных условиях, степень термодинамического совершенства уменьшается с увеличением и . Темп уменьшения возрастает с повышением 
. И, наконец, с повышением степень обратимости цикла увеличивается.
Таким образом, очевидно, что для повышения эффективности теплового насоса необходимо проводить, в том числе конструктивные изменения теплового насоса, которые в свою очередь повысит энергию энергетическую эффективность машин в целом.
Литература:
- Калнинь И. М., Савицкий И. К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра // Холодильная техника. 2000. Х. 2. 10. С. 2–6.
- Ильин А. К., Дуванов С. А. Характеристики свойства современных тепловых насосов // Проблемы совершенствования топливно-энергетического 145 комплекса: Сб. науч. тр. Вып. 3. Материалы Междунар. Науч. -прак. конф. — Саратов: Из-во Сара. Ун-та, 2004. 160 с.
- Бриганти А. Тепловые насосы в жилых помещениях // АВОК. 2001. № 5. С. 24–28.
- Седлов А. С., Проценко В. П., Зройчиков Н. А., Боряков Д. В., Галас И. В., Филиппов Д. Н., Комов А. А. Анализ эффективности использования парокомпрессионных теплонасосных установок в теплофикационных системах // Энергосбережение и водоподготовка. 20 Агабабов B. C., Горягин А. В., Джураева Е.В. Об использовании теплонасосной установки для подогрева газа перед детандером // Энергосбережение и водоподготовка. 2006, № 5(43). С. 37–38.
- Русляков Д. М., Тихонова О. Б., Першин В. А., Давыдов Я. С. К вопросу эксплуатационной эффективности бытовых холодильных приборов // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2014. № 8 (91).
