ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный технический

рыбохозяйственный университет»

(ФГБОУ ВПО «ДАЛЬРЫБВТУЗ»)

Л.В. Дуболазова

СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО

ОХЛАЖДЕНИЯ, ОТОПЛЕНИЯ

И КОМФОРТНОГО

ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Методические указания по выполнению

практических работ и организации самостоятельной

работы для студентов по направлению 141200.62

«Холодильная, криогенная техника

и системы жизнеобеспечения»

для всех форм обучения

Владивосток

2014 г.

УДК 62-71+628.81(075.8)

ББК 31.26-04я73

Д 796

Утверждено редакционно-издательским советом Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета

Автор – Л.В. Дуболазова – ст. преподаватель кафедры «Холодильная техника, кондиционирование и теплотехника» Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета

Рецензент – В. П. Шайдуллина к.т.н., доцент кафедры Холодильной техники, кондиционирования и теплотехники Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета

© Дальневосточный государственный

технический рыбохозяйственный

университет, 2014

Введение

Практические работы по дисциплине «Системы динамического охлаждения и отопления, комфортное жизнеобеспечение» выполняются студентами 3 курса по направлению 141200.62 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения» профиль «Холодильная техника и технологии» параллельно с изучением дисциплины и защищаются при их выполнении с предоставлением отчетов. При этом не исключается и самостоятельная работа над практическими работами, и досрочная защита их студентами.

Практические работы выполняются по вариантам и планам помещений выданным преподавателем.

Цель и задачи практических работ

Целью практических работ является закрепление теоретических знаний по отдельным разделам дисциплины «Системы динамического охлаждения и отопления, комфортное жизнеобеспечение», получение навыков решать задачи по моделированию процессов в ТНУ с применением диаграмм рабочих сред, анализировать работу аппаратов и технико-экономические показатели, а так же определять эффективность работы систем.

Задачей практических работ является изучение и практическое освоение каждым студентом термодинамических параметров и свойств веществ, применяемых в ТНУ, методов расчета физических циклов ТН по диаграммам и уравнениям реальных газов, компоновки установок систем динамического охлаждения, отопления с учетом технико-экономических показателей при конструировании элементов и оборудования на основе достижений современной техники и оборудования.

Практическая работа №1 термодинамические основы тепловых насосов

Цель работы

Изучение термодинамических основ тепловых насосов, назначение тепловых насосов, принцип действия и понятие коэффициента эффективности теплового насоса.

Теоретический материал

Принцип действия теплового насоса.

Действие теплового насоса основано на втором законе термодинамики, согласно которому теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к более нагретому, для этого необходимо приложить компенсирующее усилие - совершить работу, рисунок 1.

Рис. 1. Термодинамическая схема теплового насоса:

1 - тепловой насос; Q_H - количество тепловой энергии, поступающей от теплового насоса к источнику высокого потенциала; Q_L - количество тепловой энергии, отбираемой тепловым насосом от источника низкого потенциала; W – работа, подводимая к тепловому насосу; Т_{L ,} Т _H – температуры низкопотенциального и высокопотенциального источников.

Тепловой насос требует затраты работы для отбора теплоты при низкой температуре и отдачи ее при более высокой или другими словами тепловой насос – это устройство, в котором происходит перенос тепловой энергии от источника низкого потенциала (окружающая среда) к источнику более высокого потенциала.

В практической деятельности в качестве тепловых насосов используют модернизированные холодильные машины.

Тепловой насос отбирает теплоту из неограниченного пространства (например, из окружающей среды) и передает (или перекачивает ее и добавочное количество механической работы) в ограниченное помещение, где необходимо поддерживать постоянную более высокую температуру.

При установившемся режиме работы справедливо равенство

Q_H = W + Q_L ,

В тепловом насосе совершается обратный круговой процесс рабочим телом.

В тепловом насосе отношение в виде:

µ =

называется коэффициентом преобразования теплоты.

Эффективность обратного цикла, совершаемого в холодильной машине, оценивается отношением теплоты (холода), отнятой от охлаждаемого объекта, к затраченной работе. Это отношение называется холодильным коэффициентом и выражается в виде:

Коэффициент преобразования теплоты связан с холодильным коэффициентом соотношением  = + 1.

Обратный цикл Карно является идеальным для теплового насоса, рисунок 2. В нем теплота изотермически подводится при температуре T_L и изотермически отводится при температуре T_H, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии, работа подводится от внешнего двигателя, а коэффициент преобразования теплоты для цикла Карно будет иметь вид:

 = T_L /( T_Н - T_L ) + 1 = T_Н / (T_Н - T_L )

Соответственно видно, что при уменьшении разности между Т_H и Т_L увеличивается коэффициент преобразования, а это делает применение теплового насоса более эффективным. Значение  всегда больше единицы.

Рис. 2. Принципиальная схема и цикл идеального

теплового насоса:

1 - испаритель; 2 - компрессор;

3 - расширительная машина (детандер);

4 - конденсатор; 5 - электропривод.

Расчетные значения коэффициента преобразования теплоты  идеального обратного цикла Карно теплового насоса при температуре окружающей среды (низкопотенциального источника) T_L = Т_ос = 293 К (20⁰С) и различных температурах высокопотенциального источника T_Н приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения коэффициента преобразования теплоты обратного цикла Карно

ТH	60	70	80	90	100	110
	7,5	6,9	5,9	4,8	4,65	4,35

Никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, чем у цикла Карно, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизиться к этому пределу.

С целью приближения к циклу Карно, а фактически – с целью создания практически полезного теплового насоса, необходимо стремиться к подводу теплоты при условиях близким к изотермическим. Для этого подбирают рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают теплоту при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла.

Необратимость процессов, происходящих в теплонасосных установках с обратными циклами, приводит к существенному понижению коэффициента преобразования, экономия энергии при использовании тепловых насосов, естественно, снижается. Действительный коэффициент преобразования теплового насоса _е определяется через действительный холодильный коэффициент обратного цикла _е

_е = _е + 1.

Для предварительной оценки энергетических показателей теплового насоса Мартыновским В.С. предложено эмпирическое выражение

_е = ,

где Т₀ и Т – температуры источника и приемника теплоты, соответственно;  - коэффициент, учитывающий суммарно все потери: потери цикла, потери в электродвигателе и потери от внешней необратимости при теплопередаче.

Для ориентировочных расчетов отопительных устройств с тепловым насосом при использовании турбокомпрессоров можно принимать следующие значения суммарного коэффициента потерь  в зависимости от производительности установки:

производительность 200…1000 кВт  = 0,45…0,55

производительность 1000…3000 кВт  = 0,55…0,60

производительность свыше 3000 кВт  = 0,60…0,65

Выражение для определения действительного коэффициента преобразования любого теплового насоса можно представить в виде:

_е = _к__э_i_м_эл + _эл(1 - _i_м),

где _к – коэффициент преобразования теплоты цикла Карно; _ - коэффициент, учитывающий внешнюю необратимость цикла; _э - коэффициент, учитывающий приближение эталонного цикла (без учета индикаторных, механических и электрических потерь) к необратимому процессу Карно; _i ,_м – индикаторный и механический КПД компрессора; _эл – КПД электродвигателя.

Для крупных поршневых холодильных компрессоров после подстановки коэффициентов потерь предлагает выражение

_е = _{- +} + 0,9,

где Т^₀ – температура низкопотенциального источника, К; Т_к – температура конденсации хладагента, К.

Коэффициент преобразования теплоты зависит от следующих факторов:

- от разности температур источника низкого потенциала и потребителя высокотемпературной теплоты (чем она выше, тем ниже коэффициент преобразования);

- термодинамических свойств хладагента;

- особенностей термодинамического цикла;

- технического совершенства конструкции теплового насоса.

При проектировании теплонасосной установки очень важно знание действительного коэффициента преобразования, т.к. значительная ошибка в расчете расхода энергии, может привести к неверным выводам относительно рациональности теплонасосной системы теплоснабжения по сравнению с другими системами. Применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем или напольных систем водяного отопления (теплых полов), для которых температура конденсации хладагента может не превышать 35 - 40°С.

Оценка энергетической эффективности проводится обычно двумя методами. Первый - энтропийный метод, базирующийся на оценке потерь по отношению к обратимому циклу; второй - эксергетический метод, основанный на оценке потерь в отдельных процессах по отношению к значению эксергии (зависящей как от состояния тела, так и от температуры среды) до и после процесса.

Эксергией вещества называется максимальная способность этого вещества к совершению работы в процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой.

Эксергией теплоты это работа, которая может быть получена в обратимом прямом цикле при переходе некоторого количества теплоты Q_h греющего источника с температурой T_h к окружающей среде с температурой T_о.с., рисунок 3:

,

где η_т - термический к.п.д. прямого обратимого цикла.

Рис. 3. Рабочий процесс теплового насоса

и холодильной машины в диаграмме T-s

Эксергия холода - это работа, которая должна быть затрачена в обратимом обратном цикле для переноса некоторого количества теплоты Q_охл охлаждаемого объекта с температурой T_охл к окружающей среде с температурой T_о.с., рисунок 3:

,

где ε₀ - холодильный коэффициент обратимого обратного цикла.

Эксергия (максимальная работоспособность, превратимая энергия) теплоты определяется по формуле

где Q - количество теплоты, Т - температура тела, у которого эта теплота отнимается (или того, к которому теплота подводится); Т₀ - температура окружающей среды; η_т – термический к.п.д прямого обратимого цикла.

Удельная эксергия потока вещества

e = (i – i₀) – T₀ (s – s₀),

где i, s – соответственно энтальпии и энтропия вещества в рассматриваемом состоянии; i₀, s₀ - соответственно энтальпия и энтропия вещества в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой.

Таким образом, эксергетический КПД является вторым критерием оценки эффективности работы ТН, который учитывает не только количество полученной теплоты, но и его качество, т.е. температурный уровень (Т_в). Эксергетический КПД теплового насоса определяется выражением

η =

где - коэффициент работоспособности полученной теплоты; Q_в,  (_q)_e - коэффициент полезного действия ТН; N³_км - затраченная работа компрессора.

где Т_ос, Т_в – температуры окружающей среды и высокого потенциала после ТН.

Пределы изменения эксергетического КПД: 0  _е  1. Для реальных тепловых насосов коэффициент трансформации составляет   3…4, в то время как  = 30…40 %. Это означает, что на каждый затраченный кВтч энергии в реальной теплонасосной установке можно получить тепловой энергии более высокого потенциала (в зависимости от температуры конденсации) Q_в = 3…4 кВт. Это является основным преимуществом ТНУ перед другими способами получения теплоты (электронагреватели, котельная на органическом топливе и т.п.).