Задание для самостоятельной работы

1. Какой цикл для теплового насоса является циклом – образцом?

2. Как оценивается эффективность цикла теплового насоса?

3. Понятие эксергии тепла, холода.

4. Факторы, влияющие на действительный коэффициент преобразования теплоты.

Практическая работа №2 типы тепловых насосов

Цель работы

Целью данной работы является изучение основных групп тепловых насосов, их принцип действия.

Теоретический материал

В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов:

1. компрессионные (паровые);

2. струйные (эжекторного типа);

3. абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы. Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а так же для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны. Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок, рисунок 4.

Рис.4. Схема компрессионного ТН работающего

по замкнутому циклу

1 – испаритель, 2 – компрессор, 3 – конденсатор,

4 – детандер, 5- потребитель тепла, 6 – насос.

Этапы цикла работы теплового насоса:

1. Охлажденный жидкий хладагент подается в теплообменник теплового насоса – испаритель. При подаче более теплого источника тепла (наружного воздуха, солевого раствора или воды) на испаритель, циркулирующий в нем хладагент забирает от источника тепла необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное.

2. Компрессор производит всасывание газообразного хладагента и выполняет его сжатие. За счет увеличения давления происходит повышение температуры.

3. Хладагент направляется конденсатор. Здесь хладагент отдает полученное ранее тепло в циркуляционный контур системы водяного отопления, переходя в жидкое состояние.

4. Затем с помощью расширительного клапана производится снижение имеющегося остаточного давления, и цикл начинается заново.

Теплоисточники на базе тепловых насосов бывают как моновалентные, так и бивалентные. Моновалентные теплоисточники полностью покрывают годовую потребность в отоплении и горячем водоснабжении, включая сезонные, «пиковые» тепловые нагрузки.

Тепловые насосы в бивалентных теплоисточниках покрывают от 50 до 70% годовой потребности в тепловой энергии, но позволяют существенно сэкономить средства на создание теплоисточника и получить значительную экономию топлива или электроэнергии (посравнению с электрокотельными). Пиковая тепловая нагрузка покрывается за счет дополнительных источников отопления, чаще всего электрических, угольных, газовых или жидкотопливных котлов.

На рисунке 5 приведена схема и процесс в T-s диаграмме парокомпрессионного теплового насоса. Работа теплового насоса осуществляется за счет подведенной к компрессору (КМ) электроэнергии. В процессе 1 - 2 в компрессоре происходит сжатие пара от давления в испарителе Р_о до давления в конденсаторе Р_к. Затем в процессе 2-3 в конденсаторе при Р_к = const происходит охлаждение и конденсация рабочего вещества с отводом теплоты q_ (Q_), которое передается потребителю. В процессе 3 - 4 происходит расширение (дросселирование) рабочего вещества с Р_к до Р_о, а в процессе 4 - 1 в испарителе рабочее вещество испаряется при t_о за счет подведенного тепла q_о (Q_о) от низкопотенциального источника теплоты. Это количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на более высокий температурный уровень.

Однако в зимнее время, когда тепловая нагрузка возрастает, его температура в наших природно-климатических условиях становится слишком низкой, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса. Идеальный вариант для тепловых насосов - наличие вблизи от потребителя источника “сбросной” теплоты промышленного или коммунального предприятия.

Рис. 5. Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН)

и процесс в T-s диаграмме:

КМ – компрессор; К – конденсатор; Др – дроссель; И – испаритель;

Р_к; t_к – давление и температура в конденсаторе;

Р_о; t_о – давление и температура в испарителе.

В качестве довольно универсального источника низкопотенциальной теплоты можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 8 - 10 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет 5 … 8 °С., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах.

Абсорбционные тепловые насосы. Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т. е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счёт использования тепла, подведённого извне.

В сорбционных установках процессы отбора низкотемпературного тепла и его отдачи основаны на термохимических реакциях поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделении (десорбции) рабочего агента из сорбента. Сорбционные установки, в свою очередь, подразделяются на абсорбционные и адсорбционные. В первых процесс сорбции осуществляется во всём объёме абсорбента (на границе жидкой и паровой фаз), а во вторых – на поверхности адсорбента, находящегося обычно в твёрдой фазе. Для трансформации тепла используется внешняя энергия в форме тепла. Принципиальная схема абсорбционной установки на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема абсорбционной установки

Отношение полученной потребителем от теплового насоса тепловой энергии к затраченной энергии (в тепловом эквиваленте) характеризует эффективность работы теплового насоса и называется коэффициентом преобразования или трансформации φ= Q_n/Qз, где Q_n – теплота, полученная потребителем от теплового насоса, а Qз – мощность в тепловом эквиваленте, затраченная на привод компрессора в компрессионном теплонасосе или теплота высокого потенциала, израсходованная в абсорбционном теплонасосе.

Коэффициент трансформации абсорбционных тепловых насосов, (в основном, применяются абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы, в которых в качестве рабочей пары веществ используется раствор бромистого лития - абсорбент, вода - хладоагент) обозначается в технической литературе как ζ = Qn/Qг, где: Qn – количество произведенной теплоты, Qг – количество высокопотенциальной теплоты, затраченной в генераторе абсорбционного теплового насоса. Коэффициент трансформации тепла абсорбционного теплового насоса с одноступенчатой регенерацией раствора составляет 1,65 -1,75, т.е в получаемой потребителем теплоте среднего потенциала на каждую eдиницу теплоты высокого потенциала вовлекается в полезный оборот 0,65 - 0,75 единиц теплоты низкого потенциала. В абсорбционных тепловых насосах с двухступенчатой регенерацией раствора коэффициент трансформации равен 2,0 - 2,1 и утилизируемая теплота составляет более половины получаемой потребителем теплоты.

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий КПД, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.

В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) - более высокую.

Наибольшее распространение получили водоаммиачные растворы, в которых аммиак является холодильным агентом, а вода - абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рисунке 7. Пары аммиака, образовавшиеся в испарителе 4 при давлении р_о и температуре t_o, засасываются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Q_а, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем давления в испарителе р_о. Полученный в абсорбере раствор насосом 6 перекачивается в генератор (кипятильник) 1. При этом насосом затрачивается работа l_н. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе р_к. Тепло Q_г, затраченное на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор 2 и в нём конденсируется, отдавая тепло Q_к охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3 направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Q₀.

Рис. 7. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины

Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили струйные тепловые насосы эжекторного типа. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счёт использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки. Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

Любой струйный аппарат рисунок 8 состоит из сопла, куда подается рабочая жидкость (вода, пар, газ), камера смешения, где смешиваются рабочая и подсасываемая жидкость, и диффузор, в котором осуществляется преобразование кинетической энергии в потенциальную, то есть создается давление.

Рис. 8. Схема эжектора.

1 - сопло; 2 - камера смешения; 3 - диффузор.

Работает струйный аппарат следующим образом. Рабочая жидкость выходит из сопла с большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии. Активная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей энергии. Образовавшийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В камере смешения в результате обмена импульсами происходит выравнивание поля скоростей потока и за счет высвобождающейся кинетической энергии растет его статическое давление. Затем поток поступает в диффузор, где вследствие уменьшения скорости и, следовательно, динамического давления потока происходит увеличение статического давления.

К патрубку рабочей жидкости эжектора (струйного насоса) под напором подводится поток жидкости. Жидкость под действием напора с большой скоростью вытекает из сопла, при этом ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Разрежение при выходе из сопла настолько велико, что в камеру смешения через всасывающий патрубок засасывается перекачиваемая жидкость. Образовавшаяся смесь попадает в диффузор, где за счет уменьшения скорости вновь увеличивается потенциальная энергия потока (возрастает напор).

К достоинствам струйных компрессоров следует отнести:

- простоту конструкции;

- отсутствие подвижных элементов.

К недостаткам относится:

- очень низкий КПД (не превышает 35 %).

Эжектор обладает существенным преимуществом перед меха­ническими турбиной и компрессором - он не имеет движущихся частей, следовательно, надежен и долговечен в эксплуатации. Кроме того, эжекторные машины, вне зависимости от используемого рабочего вещества, не требуют смазки.

В пароэжекторной холодильной машине (ПЭХМ) пар высокого давления (P_km), генерируемый в котле K_m с помощью источника с температурой t_h поступает в сопло эжектора Э. При расширении в нем пара получаемая кинетическая энергия расходуется на подсос пара низкого давления Р_и, выходящего из испарителя И, и на сжатие образовавшейся смеси в диффузоре эжектора до давления Р_к , т.е. до давления конденсации пара в конденсаторе К. Расширение пара в сопле и затем сжатие смеси в диффузоре эжектора до давления Р_к, т.е. до давления конденсации пара в конденсаторе К. Расширение пара в сопле и затем сжатие смеси в диффузоре эжектора связано с высокими энергетическими потерями. В конденсаторе К пар с давлением Р_к, охлаждается внешним источником с температурой t_w и конденсируется. Часть конденсата насосом Н подается в котел К_m для генерации пара высокого давления, часть дросселируется в регулирующем вентиле РВ и направляется в испаритель для охлаждения охлаждаемой среды, имеющей температуру t_s. Пары, выходящие из испарителя, опять подсасываются эжектором.

Пароэжекторная холодильная машина на рисунке 9.

Рис. 9. Пароэжекторная холодильная машина

Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно является вода, в последнее время стали применяться хладоны. Вода как холодильный агент обладает высокими термодинамическими, эксплуатационными и экономическими показателями. Относительными недостатками её является высокий удельный объем и то, что возможность получения низких температур (- 10 ⁰С) связана с созданием глубокого вакуума в испарителе (- 0,001МПа). Перемещение больших масс водяного пара с помощью поршневых или радиальных компрессоров практически невозможно из-за необходимости применения поршней (рабочих колес) огромных размеров. К тому же конструкции их заметно усложняются из-за необходимости работать в условиях глубокого вакуума. Применение же эжектора в этих условиях позволяет получить относительно компактную надежную в эксплуатации машину. Однако следует отметить, что эжектор как нагнетатель имеет высокие энергетические потери и соответственно низкий КПД.

Пароэжекторные холодильные машины нашли применение в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками и на предприятиях, располагающих высокотемпературными вторичными энергетическими ресурсами.

ПЭХМ представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного цикла, Котел, двигатель-эжектор, конденсатор и насос составляют элементы прямого теплового цикла пароэнергетической установки. Холодильный обратный цикл реализуется при перемещении рабочего вещества последовательно через компрессор-эжектор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель.

Теоретический цикл ПЭХМ представлен на рисунке 10.

Рис. 10. Теоретический цикл ПЭХМ

Рабочий пар из котла давлением P_km - точка1 расширяется изоэнтропно в насадке эжектора до давления Р_и, процесс 1 - 2. Из испарителя подсасывается холодный насыщенный пар с параметрами точки 9. Процесс смешения идет по линии, соединяющей точки 2 и 9. Положение точки смеси 3 определяется коэффициентом подмешивания эжектора. Точка 3 разделяет отрезок 2 - 9 в соотношении обратно пропорциональном массе смешивающихся потоков пара. Влажный пар, образованный смешением потоков, поступающих из сопла и от испарителя, далее сжимается в диффузоре процесс 3 - 4. Конденсация пара в конденсаторе – процесс 4 - 5. Процесс 5 - 8 – дросселирование части конденсата, поступающего в испаритель. Далее осуществляется кипение хладагента в испарителе процесс 8 - 9. В прямом цикле далее осуществляется сжатие рабочего вещества в насосе процесс 5 - 6, а 6 – 7 - 1 – процесс нагрева и испарения рабочего вещества в парогенераторе. Итак, прямой цикл совершается по круговому процессу 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 - 1, круговой процесс 9 – 3 – 4 – 5 – 8 - 9 является обратным (холодильным циклом).

Задание для самостоятельной работы

1. Назначение теплового насоса.

2. Классификация тепловых насосов.

3. Компрессионные тепловые насосы, отличительные особенности.

4. Абсорбционные тепловые насосы, принцип работы.

5. Струйные тепловые насосы преимущества перед другими ТН.

6. Наиболее применяемые ТН в современном мире.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Цель работы

Целью данной работы является построения цикла работы холодильной машины на i - lg p диаграмме.

Теоретический материал

Для определения состояния вещества пользуются параметрами состояния, которыми являются величины, однозначно определяющие его:p, t, v, i, s. Для хладагента в идеально газовом состоянии уравнение связи между параметрами р × v = R × Т. Для реальных хладагентов уравнения состояния довольно сложны, поэтому связь между параметрами для удобства технических расчетов представляется графически в двухмерной системе координат.

Рис. 11. Схема холодильной машины и цикл в диаграмме i - lgp

Изображение на рисунке цикла холодильной машины в диаграмме для требуемого хладагента начинается с нанесения изотермы кипения хладагента в испарителе, которая в области влажного пара совпадает с линией постоянного давления. На пересечении этой линии с пограничной кривой х = 1 определяется точка 1¢, характеризует состояние сухого насыщенного пара. После этого пар хладагента перегревается в испарителе, трубопроводе или регенеративном теплообменнике на пути из испарителя в компрессор. Состояние хладагента, поступающего в компрессор точка 1, находится на пересечении изобары р_о с изотермой, соответствующей температуре пара, всасываемого компрессором (t₁ = t_о + Dt_пер). Для аммиачных (R717) холодильных машин величину перегрева выбирают в пределах Dt_пер = 5 ¸ 10 °С. Во фреоновых холодильных машинах перегрев хладагента происходит в регенеративном теплообменнике:

для R 22, R 404a, R 407C - Dt_пер = 10 ¸ 20 °С,

для R 12, R 134а - Dt_пер = 20 ¸ 40 °С.

Состояние хладагента после компрессора точка 2 на пересечении адиабаты s = const с изобарой р_к, соответствующей температуре конденсации t_к. Состояние насыщенной жидкости характеризуется точкой 3¢. Состояние переохлажденной жидкости t_u точка 3 находится как точка пересечения изобары конденсации и изотермы t_u. Для аммиачных холодильных машин, имеющих конденсаторы с водяным охлаждением t_u = t_к - (1 ¸ 3) °С. Для фреоновых холодильных машин из теплового баланса регенеративного теплообменника определяется энтальпия точки 3 (рисунок. 14).

i₃ = i_3¢ - (i₁ - i_1¢),

По диаграмме на пересечении изобары конденсации и изоэнтальпы i₃ точки 3, рисунок 12 определяет температуру.

Рис. 12. Схема холодильной машины работающей

по регенеративному циклу

Состояние хладагента после дросселирования точка 4 находится на пересечении изоэнтальпы i₃ и изобары кипения р_о.

Все параметры цикла вносятся в таблицу 2.

Таблица 2 - Параметры точек цикла

Точки	Параметры
	р, бар	t, °С	v, м3/кг	i, Дж/кг	х
1¢
1
2
3¢
3
4

Порядок расчета

Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг:

q_о = i_1¢ - i₄.

Удельная объемная холодопроизводительность, кДж/м³:

,

Масса хладагента, всасываемая компрессором, кг/с:

.

Объем паров, отсасываемых компрессором из испарителя, м³/с:

V_д = М_а × v₁.

Коэффициент подачи компрессоров:

Теоретический объем, описываемый поршнями компрессора, м³/с:

Отклонение V_h подобранных одного или нескольких компрессоров по сравнению с расчетным значением должно составить 5 - 10 % в большую сторону.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на сжатие холодильного агента, кВт:

N_а = М_а × (i₂ - i₁).

Индикаторная мощность, кВт:

,

где h_i = индикаторный КПД, определяемый как f(р_к/р_о)

Мощность трения, кВт:

N_тр = р_тр × V_h,

где р_тр - удельное давление трения; для холодильных машин, работающих на R717 и R22, р_тр = 60 кПа, работающих на R134а - р_тр = 40 кПа.

Мощность электродвигателя компрессора увеличиваем на пусковые моменты (на 10 ÷ 15%), кВт:

N_эл = (1,1 ÷ 1,15) (N_i + N_тр).

Холодильный коэффициент:

.

Тепловой баланс холодильной машины:

Q_к = Q_о + N_i.

Холодильный компрессор подбирается по холодопроизводительности в стандартном режиме, или в другом режиме. Для этого необходимо перевести холодопроизводительность компрессора из рабочего режима в стандартный или любой другой по формуле:

,

где λ_ст, q - коэффициент подачи и удельная объемная холодопроизводительность в стандартном режиме.

Стандартный режим – это режим работы холодильной машины при t_о = - 15 ⁰С, t_к = 30 ⁰С, t_вс = - 10 ⁰С и t_u = 25 ⁰С.