2.4.Пример термодинамического расчета тну

Согласно методике, приведенной в подразделах 2.1–2.3 рассмотрим пример проектирования теплонасосной установки для отопления индивидуального жилого дома. В качестве источника низкопотенциальной теплоты используем грунт. Система отопления – водяной «теплый пол».

Исходные данные для расчета:

– тепловая нагрузка Q_тн 3 кВт

– температура низкопотенциального теплоносителя (рассола) на входе в тепловой насос t_н1 5 °С;

– температура низкопотенциального теплоносителя (рассола) после теплового насоса t_н2 –5 °С;

– температура высокопотенциального теплоносителя (горячей воды) на входе в тепловой насос t_в1 35 °С;

– температура горячей воды после теплового насоса t_в2 45 °С;

– температура окружающей среды t₀ –10 °С;

– перепады температуры на выходе из теплообменников: испарителя t_исп, конденсатора t_к, переохладителя t_по 5°С

– температура перегрева пара в промежуточном теплообменнике t_п 20 °С.

В качестве хладагента используется фреон R152a, относящийся к озонобезопасным.

Расчет парокомпрессионного теплового насоса (схема № 1)

1. Температура испарения фреона:

t_и = t_н2 – t_и = –5 – 5 = –10°С.

2. По температуре испарения t_и = –10°С по таблицам термодинамических свойств хладагента R152a в состоянии насыщения (прил. 2) или по p, h-диаграмме (рис. 33) определяются параметры в точке 1 – энтальпия на правой пограничной кривой h'' и давление р:

h₁ = 500,15 кДж/кг;

p_и = 0,18152 МПа,

точка 1 отмечается на p, h-диаграмме.

Рис. 33. Циклы ТНУ: – схема №1; – схема №2; – схема №3

3. Температура конденсации фреона:

t_к = t_в2 +t_к = 45 + 5 = 50°С.

4. По температуре конденсации t_к по таблицам термодинамических свойств или по p, h-диаграмме определяются параметры в точке 3 – энтальпия на левой пограничной кривой h' и давление р:

h₃ = 290,5 кДж/кг;

p_к = 1,1774 МПа,

точка 3 отмечается на p, h-диаграмме.

5. На p, h-диаграмме на пересечении линии постоянной энтропии S₁, проходящей через точку 1, и линии изобары p_к, проходящей через точку 3, определятся точка 2а, затем по диаграмме определяется энтальпия в этой точке:

h_2а = 564 кДж/кг.

6. Адиабатный КПД компрессора _а:

_а = 0,98 = 0,98 = 0,80.

Энтальпия фреона после сжатия с учетом потерь:

h₂ = h₁ + = 500,15 + = 580,0 кДж/кг.

По значению энтальпии h₂ = 598,7 кДж/кг и давлению p_к = 1,1774 МПа на диаграмме отмечается точка 2. Температура в этой точке

t₂ = 81°C.

7. По значению энтальпии h₃ = h₄ = 290,5 кДж/кг и давлению p_и = 0,18152 МПа на диаграмме отмечается точка 4.

8. Удельные тепловые нагрузки в узлах теплового насоса:

q_и = h₁ – h₄ = 500,15 – 290,5 = 209,65 кДж/кг;

q_к = h₂ – h₃ = 580,0 – 290,5 = 289,50 кДж/кг;

l_сж = h₂ – h₁ = 580,0 – 500,15 = 79,85 кДж/кг.

Правильность расчета определяется проверкой теплового баланса

209,65 + 79,85 = 289,50 кДж/кг.

Тепловая нагрузка теплового насоса:

q_тн = q_к = 289,50 кДж/кг.

Энергия, потребляемая электродвигателем W:

W = = 79,85 /(0,95·0,8) = 105,07 кДж/кг.

10. Показатели энергетической эффективности теплового насоса:

– коэффициент преобразования теплоты

 = = 289,5/ 79,85 = 3,63;

– коэффициент преобразования электроэнергии:

_э= _э.м _э  = 0,95·0,8·3,63 = 2,76;

– удельный расход первичной энергии·

ПЭ  · = · = 0,95.

Так как ПЭ < 1, то с энергетической точки зрения отопление с использованием теплового насоса выгоднее, чем при сжигании природного топлива, применяемого для производства электроэнергии.

11. Степень повышения давления в компрессоре

 = = 1,1774 / 0,18152 = 6,49 .

12. Производится эксергетический расчет схемы:

– средняя логарифмическая температура холодного теплоносителя

Т_{ср. н}= = = 273 К;

– эксергетическая температура низкопотенциального теплоносителя:

_н = = = 0,0366;

– эксергия е_н, отданная низкопотенциальным теплоносителем в испарителе:

е_н = _н q_и = 0,0366·209,65 = 7,67 кДж/кг.

– средняя логарифмическая температура горячего теплоносителя

Т_{ср. в} = = = 313 К^.

– эксергетическая температура высокопотенциального теплоносителя:

_в = = = 0,160;

– эксергия е_в, полученная высокопотенциальным теплоносителем в конденсаторе:

е_в = 0,160·289,50 = 46,32 кДж/кг,

– эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем:

е_э = W = = = 105,07 кДж/кг;

– эксергетический КПД _э теплового насоса:

_э = = = = 0,411.

Расчет парокомпрессионного теплового насоса с регенерацией теплоты (схема № 2) и с регенерацией теплоты и переохладителем (схема № 3)

Результаты проведенного выше расчета, а также расчет ТНУ для второй и третей схемы схем представлены в табл. 22.

Таблица 22