Парокомпрессионные теплонасосные установки

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
С.Л. ЕЛИСТРАТОВ, Н.В. МИРОНОВА 
 
 
 
 
ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ 
ТЕПЛОНАСОСНЫЕ 
 УСТАНОВКИ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
 в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 621.577(075.8) 
          Е 516 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор П.А. Щинников 
д-р техн. наук, профессор А.И. Алифёров 
 
Работа подготовлена кафедрой тепловых электрических станций  
по дисциплине «Энергосбережение в теплоэнергетике 
и теплотехнологиях» для студентов IV курса ФЭН всех форм  
обучения по направлению 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника 
 
Елистратов С.Л.  
Е 516  
 
Парокомпрессионные теплонасосные установки : учебное 
пособие / С. Л. Елистратов, Н. В. Миронова. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2020. – 92 с. 

ISBN 978-5-7782-4214-2 

Цель настоящего издания – закрепление теоретического материала 
по курсу «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях» 
на примере термодинамического расчета и анализа эффективности 
циклов парокомпрессионного теплового насоса (ПКТН) с однокомпонентными низкокипящими рабочими телами естественного и искусственного происхождения.  
В состав пособия входят указания по определению параметров в 
узловых точках семи различных рабочих циклов, определению удельных тепловых нагрузок отдельных аппаратов, эксергетических потерь 
и эксергетических КПД отдельных элементов и ПКТН в целом, а также 
рекомендации по построению обобщенной диаграммы потоков энергии и эксергии в системе «ТЭС–ЛЭП–ПКТН» с указанием относительных потерь эксергии и показателей эффективности. 
На основе критического анализа результатов расчета термодинамических циклов предложены основные направления конструктивного 
совершенствования ПКТН. 
 
УДК 621.577(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4214-2  
 
 
 
 
© Елистратов С.Л., Миронова Н.В., 2020 
© Новосибирский государственный  
    технический университет, 2020 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Актуальным направлением энергосбережения и охраны окружающей среды становится эффективная замена в топливном балансе систем 
промышленного и гражданского теплоснабжения ископаемых видов 
топлива (нефть, природный газ, уголь и др.) практически неисчерпаемыми ресурсами низкопотенциального (до 40 °С) тепла возобновляемых и вторичных источников (сбросное тепло промпредприятий, тепло 
воды подземных и поверхностных источников, окружающего воздуха и 
др.) с использованием тепловых насосов (ТН) различного типа. Тепловая мощность действующего в мире парка теплонасосных установок 
(ТНУ) различного типа оценивается в 250 ГВт с годовой выработкой 
теплоты 1,0 млрд Гкал, что соответствует экономия органического топлива в объеме до 80 млн т у. т/год. В США находится в эксплуатации 
более 5 млн ТНУ. В Швеции эксплуатируется около 110 тыс. ТНУ, мощность самой крупной составляет 320 МВт. По прогнозам Мирового 
энергетического комитета 75 % всех систем теплоснабжения в развитых 
странах будут использовать ТН. В России установленная мощность ТН 
с конца 1980-х годов по настоящее время не превышает 65 МВт, что 
явно не соответствует потенциальным возможностям применения этой 
технологии в условиях наметившегося перехода национальной экономики на энергосбережение и повышение энергоэффективности. 
Наибольшее распространение на практике получили ТН двух типов: 
абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы (АБТН), для работы которых используется высокопотенциальное (свыше 100 °С) тепло 
(водяной пар, продукты горения топлив и др.), и тепловые насосы парокомпрессионного типа (ПКТН), для привода компрессоров которых используется электроэнергия. 
Принципиальная схема, показанная на рис. В1, включает в себя все 
основные элементы не только ПКТН, но и некоторых схемных решений 

парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), что позволяет 
определить сходства и различия между этими типами технических 
устройств. Другие применяемые на практике схемы и циклы ПКТН базируются на представленных ниже основных структурных элементах и 
термодинамических процессах (рис. В2). 

 
Рис. В1. Принципиальная схема парокомпрессионного  
теплового насоса (ПКТН): 

И – испаритель; РТ – регенеративный теплообменник; КМ – 
компрессор; К – конденсатор; ОК – охладитель конденсата;  
  ДР – дроссельное устройство; ПР – приводное устройство 

В испарителе происходит при постоянном давлении 
0
P  и температуре 0
T  кипение рабочего тела при подводе теплоты от низкопотенциального источника тепла (процесс 7–1) (рис. В2). Насыщенный пар рабочего 
тела при давлении 
0
P  перегревается (процесс 1–2) в регенеративном 
теплообменнике обратным потоком жидкого рабочего тела, поступающим из охладителя конденсата. Перегретый пар с температурой 
2
T  поступает на вход компрессора, в котором производится его сжатие (процесс 2–3) до конечного давления 
К
P  с повышением температуры до 
3
T .  

 

Рис. В2. Термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса с теплоносителями систем низкопотенциального источника тепла (с индексом s), системы отопления (с индексом w) 
                  и горячего водоснабжения (с индексом f) 

 
Рис. В3. Термодинамический цикл парокомпрессионного  
теплового насоса 

Компримированный пар с параметрами перегретого пара (точка 3) 
поступает в конденсатор, где сначала он охлаждается (процесс 3–4*) до 
состояния насыщения (точка 4*), а затем конденсируется (процесс 4*–4) 

при постоянном давлении 
К
P  и температуре 
К
Т
. Из конденсатора конденсат рабочего тела направляется в охладитель конденсата, где производится отвод тепла теплоносителю f внешнего теплоприемника (процесс 4–5) с понижением температуры от 
К
4
  
T
T

 до 
5
T . Дальнейшее 
охлаждение рабочего тела до температуры 6
T  производится в регенеративном теплообменнике потоком пара, поступающим из испарителя  
в компрессор. Цикл завершается процессом дросселирования (процесс 6–7) жидкого рабочего тела в дроссельном устройстве от давления 

К
P  до давления в испарителе 
0
P  с понижением его температуры в процессе изоэнтальпийного расширения от 
6
T  до 7
0
T
T

 в испарителе. 
В процессе реализации замкнутого термодинамического цикла к рабочему телу в испарителе подводится тепловая энергия от теплоотдатчика s (низкопотенциального источника тепла) с охлаждением его теплоносителя от 
1
sT  до 
2
sT
 (рис. В1). Кроме того, к рабочему телу через 
приводное устройство в компрессоре подводится в процессе его сжатия 
механическая энергия (эксергия). При этом мы не конкретизируем, из 
какого исходного вида энергии (электрическая, тепловая и др.) получена механическая энергия на валу компрессора. Отвод полезного тепла 
к внешнему потребителю происходит в конденсаторе при нагреве теплоносителя внешнего теплоприемника w от температуры 
1
w
T
 до 
2
w
T
. 
В общем случае дополнительно тепло от рабочего тела полезно отводится в охладителе конденсата какому-либо внешнему потребителю за 
счет нагрева теплоносителя теплоприемника f от температуры 
1
f
T
 

до 
2
f
T
. При использовании ПКТН в системах теплоснабжения потребителями тепловой энергии обычно являются системы отопления (СО) и 
горячего водоснабжения (ГВС). Как правило, для отопления используется тепло, выделяемое в конденсаторе, а для нагрева воды на нужды 
ГВС – тепло охлаждения конденсата рабочего тела. При отсутствии потребности в ГВС для целей отопления используется также незначительная часть тепла от охлаждения конденсата рабочего тела; в этом случае 
теплоноситель системы отопления w последовательно или параллельно 
проходит через охладитель конденсата и конденсатор. Таким же образом ПКТН могут быть использованы в различного рода производственных технологиях с одновременным охлаждением и нагревом технологических потоков. В этом случае ПКТН совмещает в себе функции 
нагревательного и охлаждающего устройства. 

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ  
ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 

С принятием в 2009 году нового закона об энергосбережении возрос 
интерес к использованию энергии возобновляемых и вторичных источников, в том числе в такой жизненно важной отрасли, как теплоснабжение. 
Эффективное замещение в топливном балансе систем промышленного и гражданского теплоснабжения ископаемых видов топлива 
(уголь, мазут, природный газ и др.) практически неисчерпаемыми ресурсами низкопотенциального (до 40 °С) тепла возобновляемых и вторичных источников с использованием тепловых насосов (ТН) становится актуальным направлением энергосбережения и охраны окружающей среды. 
В тепловых насосах тепло от тел и сред (низкопотенциальных источников тепла) с низкой температурой переносится к телам и средам с 
более высокой температурой (потребителям тепловой энергии). В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты в количестве Q от холодного источника к более горячему (в направлении, противоположном естественному процессу теплопереноса) должен сопровождаться затратами некоторого количества механической работы или 
другой работоспособной энергии А. Энергетическую эффективность 
устройств, работающих по таким обратным термодинамическим циклам, принято оценивать отношением трансформированного количества 
теплоты к затратам работы на реализацию этого процесса:  

 
Q
b
A

. 
(1.1) 

Использование теплонасосных установок на базе ТН различного 
типа (табл. 1.1) является типовым межотраслевым энергосберегающим 
мероприятием. Они позволяют с малыми затратами первичной энергии 
(электроэнергии, подведенной теплоты высокого температурного потенциала, энергии сжатых газов и др.) преобразовать теплоту низкого 
температурного потенциала (до 40 °С) возобновляемых источников 
(окружающего воздуха, воды рек, озер и морей, грунта, гидротермальных источников и т. п.), а также вторичных источников (оборотной воды 
систем охлаждения, промышленных и хозяйственно-бытовых сточных 
вод и т. п.) в теплоту более высокого температурного потенциала 
(45…90 °С), которая может быть использована для целей отопления, горячего водоснабжения и в производственных технологиях. 
Классификация ТН по основным признакам представлена в 
табл. 1.1. 

Т а б л и ц а  1.1 

Классификация тепловых насосов технического назначения 

Классифицирующий признак 
Наименование 
Вид приводной 
энергии 

Принцип работы 

Компрессионные 
Электрическая, 
 механическая 
паровые 
газовые 

сорбционные 
Тепловая энергия 
абсорбционные 
адсорбционные 

струйные 
Кинетическая энергия пара или газа 
эжекторные 
вихревые 

Термоэлектрические 
Электрическая 
Магнитные 

Вид используемого 
цикла 
Замкнутый 

 

Разомкнутый 

Характер  
трансформации  
Повысительная 
Расщепительная 

Периодичность  
Непрерывного действия 
Периодического действия 

Среди большого числа классифицирующих признаков наиболее 
важная классификация по циклам: газовые компрессионные, парокомпрессионные, сорбционные (абсорбционные и адсорбционные), вихревые, основанные на эффекте Ранка–Хилша, и др. Общим для них является выполнение второго закона термодинамики. 

Широкое практическое развитие в мире получили только два типа ТН: 
парокомпрессионные, использующие механическую компрессию паров 
рабочего тела, и абсорбционные (АТН), где сжатие паров осуществляется 
термохимическим способом с использованием процесса абсорбции. В последних в качестве рабочего тела часто используются водные растворы 
соли LiBr, поэтому они получили вследствие этого название «абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы» (АБТН) (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Принципиальная схема абсорбционного термотрансформатора 

Парокомпрессионные и абсорбционные преобразователи теплоты 
могут работать в следующих режимах: 
 как холодильные машины (ПКХМ, АХМ) в режиме выработки 
только холода как полезного продукта; 
 как тепловые насосы при полезном использовании только вырабатываемой ими теплоты; 
 для одновременной выработки холода и теплоты как полезных 
продуктов. 
Схема абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины 
(АБХМ), (рис. 1.1), отражает происходящие рабочие процессы в каждом 
из четырех ее основных устройств: испарителе, абсорбере, генераторе и 
конденсаторе. В АБХМ хладагентом (рабочим телом) служит вода,  

абсорбентом (поглотителем паров воды) – водный раствор соли бромида лития LiBr высокой концентрации. 
Вспомогательное оборудование включает насос для перекачивания 
водного раствора LiBr и насос для хладагента (воды); для увеличения 
энергетической эффективности используют дополнительный регенеративный теплообменник, позволяющий повысить температуру слабого 
раствора LiBr перед генератором. 
В испарителе поддерживается пониженное давление – 6 мм рт. ст. 
При таком низком давлении вода (хладагент) кипит при температуре 
4 °С. Насос подает хладагент на поверхность труб, по которым циркулирует охлаждаемая вода с температурой 12 °С, поступающая от потребителя для охлаждения. 
Хладагент кипит, принимая теплоту от труб с водой. В итоге к потребителю подается охлажденная вода с температурой 7 °С. Образующийся при кипении хладагента пар необходимо непрерывно удалять из 
испарителя для поддержания абсолютного давления 6 мм рт. ст. Эту задачу выполняет абсорбер, сблокированный с испарителем. Пар хлад- 
агента, поступающий из испарителя в абсорбер, поглощается крепким 
(65 %) раствором LiBr. Раствор LiBr обладает высокой абсорбирующей 
способностью, которая растет при увеличении концентрации и/или при 
понижении температуры раствора. В абсорбере концентрированный 
раствор LiBr, подаваемый из генератора, поглощает пары хладагента, 
тем самым понижая свою концентрацию до 60 %, т. е. становится слабым, или разбавленным. 
Поглощение паров (абсорбция) является экзотермической реакцией, 
т. е. реакцией с выделением теплоты, которая, в свою очередь, отводится охлаждающей водой с начальной температурой 30 °С, поступающей от градирни или другого источника. Далее слабый раствор подается 
насосом в регенеративный теплообменник, в котором этот раствор повышает свою температуру путем теплообмена с концентрированным 
раствором, поступающим из генератора. 
В генераторе за счет подвода тепловой энергии от греющего источника (в нашем случае – горячая вода) вода из слабого раствора LiBr  
выпаривается, и раствор LiBr снова становится концентрированным 
(крепким). Крепкий раствор LiBr после генератора направляется обратно в абсорбер. 
Водяной пар из генератора поступает в конденсатор, где конденсируется за счет отвода теплоты конденсации к охлаждающей воде