Термодинамический потенциал высокотемпературных транскритических циклов тепловых насосов для промышленных процессов с большими температурными напорами

Промышленные тепловые насосы, работающие при температурах до 200 °C, являются перспективной технологией, способной преобразовать систему промышленного теплоснабжения. При больших температурных напорах со стороны потребителя теплоты транскритические циклы позволяют повысить эффективность преобразования мощности в теплоту. Однако этот потенциал еще предстоит реализовать. Для его исследования предложена термодинамическая оптимизационная модель. Модель включает надежную оптимизацию цикла, позволяет анализировать широкий набор рабочих веществ и предусматривает корректную последующую обработку результатов. Модель применена к трем актуальным промышленным задачам: нагреву термомасла, сушке перегретым паром и распылительной сушке. Температурные напоры со стороны потребителя теплоты в соответствующих случаях составляют 60 K, 81 K и 105 K. Результаты показывают, что температурный напор более 60 K предпочтителен для достижения более высокого коэффициента преобразования (COP) в транскритических циклах по сравнению с классическими субкритическими циклами. Кроме того, для этих высоких рабочих температур выявлены новые потенциальные рабочие вещества. В случае с температурным напором 81 K применение транскритических циклов обеспечило увеличение COP на 4,6%, тогда как при температурном напоре 105 K увеличение составило 7,3%. Кроме того, транскритические циклы обеспечивают значительно большую объемную теплопроизводительность, более низкую температуру нагнетания компрессора и существенно меньшее отношение давлений. При этом лучшие рабочие вещества для субкритических циклов являются высоковоспламеняемыми, тогда как среди транскритических рабочих веществ это характерно лишь для некоторых. Поэтому такие циклы могут быть выгодны при температурных напорах менее 60 K. Однако компрессоры для транскритических циклов должны быть рассчитаны на давления до 60 bar. При наличии таких компрессоров транскритические циклы превосходят классические субкритические циклы.