Коротко о проблеме: при высокой температуре окружающей среды повышается температура конденсации $T_c$ и давление конденсатора $P_c$, растёт работа компрессора и падает холодопроизводительность — поэтому КПД (COP) снижается.
Возможные изменения и почему они помогают:
1) Смена хладагента
- Выбрать хладагент с более высоким критическим температурным запасом и благоприятными термофизическими свойствами (большая теплота парообразования, меньший компрессионный объём, более низкая зависимость давления от температуры). Это уменьшит рост $P_c$ при высоком $T_c$ и сократит работу компрессора.
- Формула эффективности: $COP=\frac{q_L}{w_{in}}$, где обычно $q_L=h_1-h_4,w_{in}=h_2-h_1$. Менее «чувствительный» к $T_c$ хладагент сохраняет $q_L$ при меньшем $w_{in}$.
2) Многоступенчатая компрессия с промежуточным охлаждением / инжекция пара (economizer, vapour injection)
- Делит общий перепад давления на ступени → меньшая работа на каждой ступени и ниже температура нагнетания.
- Увеличивает массовый расход через испаритель и/или уменьшает суммарную работу, поэтому $COP$ растёт.
3) Применение теплообменников (подохладитель, регенеративный теплообмен)
- Подохлаждение жидкого хладагента уменьшает энтальпию перед расширением, увеличивает тепловую нагрузку: $q_L=h_{vap,in}-h_4$ снижается $h_4$ → $q_L$ увеличивается.
- Регенеративный теплообмен между линиями повышает общее КПД цикла.
4) Замена дросселя на турборасширитель (работающий расширитель)
- Стандартная дроссельная траектория — изоэнтальпическая; установка расширителя позволяет восстановить часть энергии (работы), т.е. уменьшить чистую нагрузку на компрессор: эффективная работа компрессора становится $w_{in}-w_{rec}$.
- Это уменьшает энтропийные потери и повышает $COP$.
5) Каскадные или транс-критические схемы
- Для очень высоких $T_{amb}$ схема из двух циклов (каждый с оптимальным хладагентом) или транс-критический CO2 с газоохладителем может быть эффективнее простого одноступенчатого цикла.
6) Улучшение теплообмена в конденсаторе и управление скоростью
- Увеличение площади или эффективность конденсатора, использование испарительного охлаждения или частотного привода вентиляторов/компрессора — позволяет поддерживать более низкий $T_c$ и оптимальный рабочий режим, снижая $r_p=P_c/P_e$.
7) Оптимизация точки расширения и степени перегрева/переохлаждения
- Снижение избыточного перегрева за испарителем и увеличение переохлаждения улучшает коэффициент производительности и снижает вероятность перегрева на всасывании.
Кратко о выборе приоритетов: наиболее эффективны сочетания — смена/смешение хладагента под климат, введение промежуточной ступени или инжекции пара, подохлаждение и использование расширителя. Эти меры одновременно уменьшают работу компрессора и/или увеличивают холодоотдачу, что при высоких $T_{amb}$ прямо повышает $COP$.