2.Методика и алгоритм расчета теплового насоса

2.1.Общая схема расчета

Выбор наиболее оптимальной конструкции теплового насоса требует сравнения множества вариантов по схемам насосов, фреонам, задаваемым температурным перепадам в теплообменниках. Расчет тепловых насосов традиционно проводится с помощью T, S или p, h – диаграмм рабочих тел (фреонов).

2.2.Методика термодинамического расчета циклов теплового насоса

Целью термодинамического расчета является определение показателей эффективности цикла теплового насоса. В разделе предлагается методика расчета теплонасосных циклов. Исходными данными для расчета являются:

– тепловая нагрузка Q_тн, кВт, или расход низкопотенциального теплоносителя G_н, кг/с;

– температура низкопотенциального теплоносителя (холодной воды, антифриза или рассола) на входе в тепловой насос t_н1, °С;

– температура низкопотенциального теплоносителя (холодной воды, антифриза или рассола) после теплового насоса t_н2, °С;

– температура высокопотенциального теплоносителя (горячей воды) на входе в тепловой насос t_в1, °С;

– температура горячей воды после теплового насоса t_в2, °С;

– температура окружающей среды t₀, °С;

– перепады температуры на выходе из теплообменников (обычно 3…5 °С) в испарителе t_исп, конденсаторе t_к, переохладителе t_по (рис. 19);

– температура перегрева пара в промежуточном теплообменнике t_п, °С.

Рис. 19. Температурные схемы теплообменников

Расчет парокомпрессионного теплового насоса (схема № 1)

Схема и расчетный цикл в p, h-диаграмме парокомпрессионного теплового насоса представлены на рис. 6.

Порядок термодинамического расчета схемы следующий.

1. В испарителе теплота от низкопотенциального теплоносителя передается фреону, температура которого должна быть ниже. По температуре t_н2 и температурному перепаду t_и определяется температура испарения фреона:

t_и = t_н2 – t_и.

2. По температуре испарения t_и на правой пограничной кривой p, h-диаграммы фреона (или по таблицам термодинамических свойств хладагента в состоянии насыщения) находится точка 1, для которой определяется энтальпия h₁ и давление испарения p_и.

3. В конденсаторе теплота передается от более горячего фреона к воде. По температуре воды на выходе t_в2 и температурном перепаде t_к определяется температура конденсации фреона:

t_к = t_в2 +t_к.

4. По температуре конденсации t_к на правой пограничной кривой (или по таблицам термодинамических свойств хладагента в состоянии насыщения) находится точка 3, для которой определяется энтальпия h₃ и давление конденсации p_к.

5. На пересечении линии постоянной энтропии S₁, проходящей через точку 1, и линии изобары p_к, проходящей через точку 3, определятся точка 2а, которая соответствует концу адиабатного сжатия. По диаграмме определяется энтальпия h_2а в точке 2а.

6. Адиабатный КПД компрессора _а равен

_а = ; отсюда h₂ = h₁ + ^.

Адиабатный КПД компрессора может быть рассчитан по выражению

_а = 0,98 ^.

По значению энтальпии h₂ и давлению p_к определяется точка 2.

7. По значению энтальпии h₃ = h₄ и давлению p_и определяется точка 4.

8. Рассчитываются удельные тепловые нагрузки в узлах теплового насоса:

q_и = h₁ – h₄; q_к = h₂ – h₃; l_сж = h₂ – h₁.

Правильность расчета определяется проверкой теплового баланса

q_и + l_сж = q_к.

Дополнительно определяется тепловая нагрузка теплового насоса (теплота, передаваемая на отопление):

q_тн = q_к,

и удельная энергия, потребляемая электродвигателем W:

W = .

10. Определяются показатели энергетической эффективности теплового насоса:

– коэффициент преобразования теплоты

 = ;

– коэффициент преобразования электроэнергии:

_э= _э.м _э ;

– удельный расход первичной энергии

ПЭ  ^.

11. Степень повышения давления в компрессоре

 = ^.

12. Производится эксергетический расчет схемы:

– эксергия е_н, отданная низкопотенциальным теплоносителем в испарителе:

е_н = _н q_и,

где _н – эксергетическая температура низкопотенциального теплоносителя (значение эксергетической температуры должно быть от 0 до 1):

_н = ;

средняя логарифмическая температура холодного теплоносителя

Т_{ср. н}= ^.

– эксергия е_в, полученная высокопотенциальным теплоносителем в конденсаторе:

е_в = _в q_к,

где _в – эксергетическая температура высокопотенциального теплоносителя:

_в = ;

средняя логарифмическая температура горячего теплоносителя

Т_{ср. в} = ^.

– эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем:

е_э = W = ;

– эксергетический КПД _э теплового насоса определяется по суммарной эксергии входных e_вх и выходных e_вых потоков:

_э = = ^.