Согласно новому исследованию, безмасляный линейный компрессор способен повысить SCOP бытового аммиачного теплового насоса
15 Апреля 2024
В развитие темы конференции «Опыт применения природных хладагентов и хладагентов с низким потенциалом глобального потепления (ПГП) в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха. Финансово и технически приемлемые альтернативы для различных областей применения», которую организовали Россоюзхолодпром, МЦНТИ и «Академия КриоФрост» организуют при поддержке Минприроды и Минпромторга России, портал ozoneprogram.ru продолжает публикацию материалов о международном опыте стимулирования и регулирования использования природных хладагентов, а также о конкретных примерах их применения.
Новое исследование показывает, что применение безмасляного линейного компрессора для аммиака способно повысить сезонный коэффициент производительности бытового теплового насоса по сравнению с моделями, использующими компрессор с инверторным приводом, часто работающий в режиме on/off при уменьшении потребности в тепле.
Исследование, названное «Применение линейного компрессора в малых аммиачных тепловых насосах», опубликовано в журнале Energy.
Модель теплового насоса основана на работе той же команды исследователей, описывающей линейный электромагнитный безмасляный холодильный компрессор на ГФУ-хладагенте R134a. Для оценки базового уровня производительности аммиачного теплового насоса аналогичной конструкции была создана вычислительная модель.
Согласно исследованию, одно из главных препятствий для широкого распространения бытовых тепловых насосов – проблема выбора между удовлетворением пиковой потребности в отоплении и обеспечением оптимальной эффективности. Тепловые насосы, рассчитанные на пиковую нагрузку, часто работают не на полную мощность, поскольку пиковая потребность в тепле в течение отопительного сезона наблюдается сравнительно редко.
– Частая работа в режиме on/off даже при наличии компрессора с инверторным приводом, может понизить среднегодовую эффективность, – говорится в исследовании.
В холодный период инверторный привод способен уменьшить частоту циклов включения-выключения теплового насоса почти на 50%. Однако, по мере уменьшения потребности в тепле, частота включений-выключений может увеличиваться, достигая 60 циклов в сутки при температуре наружного воздуха 10°C. В результате, заключают исследователи, сезонный показатель COP инверторного теплового насоса может уменьшится на целых 12%.
Согласно исследованию, при наружной температуре 0°C COP аммиачного безмасляного линейного компрессора равен 2.
– Принимая во внимание, что численное моделирование показало впечатляющие преимущества аммиачного теплового насоса, использующего линейный компрессор, наша дальнейшая работа будет заключаться в создании прототипа линейного компрессора мощностью 2 кВт и экспериментальной оценке производительности теплового насоса, – пишут авторы работы.
В исследовании отмечено, что среди представленных сегодня на рынке линейных компрессоров пока нет моделей, подходящих для бытовых тепловых насосов, то есть, поддерживающих тепловую мощность более 2 кВт. Кроме того, на сегодняшний день бытовые тепловые насосы крайне редко используют аммиак в качестве хладагента.
OEM-производитель из США Stone Mountain Technologies недавно начал продажи абсорбционного аммиачного теплового насоса под маркой Anesi, обеспечивающего как горячее водоснабжение, так и отопление. Эти устройства располагаются снаружи и содержат 5 кг аммиака. Источником тепла для работы абсорбционного цикла служат пропан или природный газ. Итальянский производитель ROBUR отметил возросший интерес к своим абсорбционным аммиачным тепловым насосам со стороны провайдеров коммунальных услуг из США. Тепловые насосы ROBUR предназначены для коммерческих объектов и крупных жилых строений, и способны обеспечивать ГВС, отопление и охлаждение помещений.
Модель
Исследование делает упор на прямую зависимость между температурой наружного воздуха и ключевыми рабочими характеристиками, такими как удельная потребляемая мощность, теплопроизводительность и COP. Подстройка величины хода движения вместо частотного регулирования традиционных компрессоров обеспечивает более широкие возможности изменения производительности линейного компрессора.
При моделировании температура конденсатора принималась равной +50°C, а температура наружного воздуха – +10°C. При коэффициенте сжатия 3,5 увеличение длины хода линейного компрессора с 7 до 11,5 мм повышало ток с 2,4 до 5,6 А и напряжение с 52 до 120 В. С увеличением хода потребляемая мощность возрастала с 30 до 272 Вт.
– Возможность регулирования производительности за счет изменения величины хода компрессора обеспечивает существенные преимущества по сравнению с традиционными методами, такими как включение-выключение и частотное регулирование, учитывая, что тепловые насосы большую часть времени работают с неполной нагрузкой, – говорится в исследовании.
Конструкция компрессора
Компрессор, использующий линейный электродвигатель с подвижным компрессором, представляет собой конструкцию оксфордского типа с одним отличием: вместо традиционной витой пружины в нем применена упругая скоба. Согласно исследованию, данная особенность упрощает масштабирование устройства до мощности 2 кВт и выше.
– Другая уникальная особенность – расположение обмоток мотора вне рабочей камеры компрессора во избежание контакта хладагента с медными катушками, что позволило использовать R717 (аммиак), – пишут авторы.
В разработанном исследователями линейном компрессоре используется свободный поршень, который движется по прямой траектории при помощи линейного двигателя. Важными элементами конструкции являются линейный двигатель, два пластинчатых клапана, пружина изгиба и пара поршень-цилиндр.