Тепловые насосы. Учебное пособие

компонентов, поэтому при разгерметизации сначала испаряются легкие фракции, свойства хладагента меняются, весь фреон требуетсяспускатьизаменять.ДеталиХМиТНстакимфреономдолжны иметь более высокую прочность, значит, и стоимость.

В ТН возможно применение фреонов R11, R12, R12B1, R113, R114, R500, R21, R22, R123, R124, R141b, R142b, R401a, R401b, R401c, R406a, R409a, R134a, R152a, R290, R600, R600a, RC318.

Важным свойством фреонов является теплота фазового перехода. Чемонавыше,темнижебудетрасходфреона,значит,истоимость теплообменников и компрессора.

Кроме того, уже разработаны компрессоры, способные работать на хладагенте R290 (пропане) и СО2, R744 (двуокись углерода). Тепловые насосы на СО2 – машины​ нового поколения. R744 не горит, не ядовит, не разрушает озоновый слой, он доступен и дешев.

СуществуютТН,использующиеаммиак:онядовит,нообеспечиваетприправильномиспользованииихвысокуюэффективность.

Существуют и газовые холодильные машины (ГХМ), рабочим те-

лом которых является воздух (см. п. 3.2).

1.7. Эффективность тепловых насосов

При оценке эффективности ТН возможны два подхода:

–термодинамический, когда рассматривают баланс энергии

вцикле ТН и не обсуждают, с какими потерями выработаны потребляемая электрическая энергия или теплота;

–экономический, когда в расчет вводят коэффициенты, учитывающие потери при выработке электроэнергии или теплоты.

Следует отметить, что для ТН, работающих по циклу ПКХМ, подводится электроэнергия, эквивалентная внешней технической работе сжатия хладагента в компрессоре. Существуют, кроме того, абсорбционные ТН, устройство и действие которых обсуждается

вп. 3.3, для их действия необходим подвод теплоты. В п. 1.7 рассмотрим только ТН, работающие по циклу ПКХМ.

21

Вернемся к p-h-диаграмме циклов без переохлаждения и с переохлаждением хладагента (рис. 10, б, 11, б).

Тепловая нагрузка ТН в цикле без переохлаждения хладагента равна теплоте, переданной горячему носителю в конденсаторе:

qТН = q1 = h2 – h​ 3ʹ.

Для ТН, имеющего переохладитель ТП,

qТНТП = q1 = h2 – ​h3a.

Коэффициент преобразования теплоты в этих случаях равен

ψ= qТНl .

Вобратном обратимом паровом цикле Карно коэффициент преобразования максимален и равен

ψmax =TкT−кTп ,

где Тк и Тп – ​абсолютные температуры в конденсаторе и испарителе соответственно, К.

На рис. 12показано,что ψmax возрастаетпо мереуменьшения разности температур в конденсаторе tк и испарителе tи, °C.

Коэффициент полезного действия ТН – ​отношение фактического коэффициента преобразования энергии к максимальному:

ηТН = ψψ .

max

ДлярассмотренныхдвухтиповТН(спереохладителемибезнего)

ηТН = h2 −h3′ ; h1 −h2

22

Рассмотрим циклы с одинаковой температурой в испарителе, но с разными температурами в конденсаторе (рис. 13).

При меньшей температуре конденсации lсж1 < lсж2, а qк1 > qк2, поэтому ψ1 > ψ2.

ψmax

Рис. 12. Зависимость ψmax от температур в конденсаторе и испарителе ТН

Рис. 13. Сравнение циклов ТН с разными температурами конденсации

23

Работа ТН тем эффективнее, чем меньше разность температур испарения и конденсации. В данном случае наблюдается противоречие: для эффективного отопления температуру горячего теплоносителя надо повышать, но при этом ψ снижается.

Эффективность ТН западных производителей оценивают по стандарту EN14511, в котором для каждого прибора (потре-

бителя энергии) определяют коэффициент мощности и коэффи- циент использования.

Коэффициент мощности – ​аналог коэффициента преобразования энергии. Он равен отношению отдаваемой в данный момент мощности к эффективно потребляемой мощности:

ε= PH ,

PE

где PH – ​теплота, отдаваемая ТН горячему теплоносителю в единицу времени, Вт; PE – ​средняя электрическая потребляемая мощность в течение определенного времени, включая потребляемую мощность компрессора, контроллера, подающих устройств и системы оттаивания, Вт.

Коэффициент мощности определяют при температурах горячего и холодного теплоносителей, которые задают для каждого типа ТН отдельно. Он тем выше, чем меньше разность (tк – ​tи).

Коэффициент использования β – отношение​ теплоты, отдан-

ной горячему теплоносителю за год QТН, кВт ∙ ч, к потребленной за этот срок электроэнергии Wэл, кВт ∙ ч:

β= QТН . Wэл

Оба показателя учитывают потери при энергоподводе частично или не учитывают вообще. Такой подход удобен для потребителей ТН, но в промышленных масштабах явно недостаточен. Введем величины, устраняющие данные препятствия.

Коэффициент преобразования энергии (Coefficient of Performance, COP)–​отношениетеплоты,переданнойгорячемутеплоносителю, к электроэнергии, подведенной к приводу (электродвигателю):

24

ψэ =COP = qWТН =ηэм ηэ ψ,

гдеW–электроэнергия​ ,подведеннаякдвигателю; ηэн –электро​ - механический КПД компрессора (0,9… 0,95); ηэ – КПД​ электро-

двигателя (0,6… 0,95).

Удельные затраты энергии на единицу переданной теплоты – ве​ -

личина, обратная СОР:

Для эффективной работы ТН необходимо, чтобы СОР > 1 или Э < 1.

Вместо электродвигателя могут использоваться паровые или газовые турбины, ДВС и другие машины.

Удельные затраты первичной энергии

ПЭ = Qтопл , qТН

где Qтопл – теплота​ сгорания топлива, используемого для производства работы привода.

Но и для ТН с электроприводом электроэнергия вырабатывается при сжигании топлива на ТЭС, поэтому для них

где ηэс –КПД​ электростанции(0,4); ηпер –КПД​ системэлектроснабжения (0,95).

При средних значениях всех КПД

ПЭ = 2,6 = 3 .

ψэ ψ

25

По сравнению ТН с водогрейным котлом, для которого КПД ηкот =0,85,аПЭ≥1,2,ТНбудетэффективнеесψ =2,5.

ЕслидляприводаТНиспользоватьдизельныйдвигательсКПД

ηд = 0,4, то

Применение дизельного двигателя в данном случае выгоднее, чем электродвигателя.

Перегрев пара на всасывании, обеспечиваемый регенеративнымтеплообменникомТО(рис.10),наэффективностьТНвлияет косвенно, поскольку сказывается на условиях компрессора и работе сжатия, повышая ηэм:

l то = h2 −h1;

W то = h2 −h1 ;

ηэм ηэ

При наличии переохладителя (рис. 11)

26

Аналогичные формулы и рассуждения используют для оценки эффективностиТН,работающихпоцикламгазовойхолодильной машины (ГХМ), абсорбционной холодильной машины (АБХМ) и др. Во всех случаях СОР определяют отношением теплоты, используемой для отопления и других полезных функций ТН, к затратам теплоты на действие ТН – ​полезным, с учетом всех КПД, начиная с этапа сжигания топлива.

Важно помнить, что все приведенные выкладки имеют только технический характер и не учитывают изменение тарифов на электрическую и тепловую энергию, правовые ограничения, требования экологичности и пр.

2. РАСЧЕТ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

2.1.Исходные данные

Воснове расчета – ​сведения о мощности ТН, параметрах горячей и холодной сред, а также сложившиеся в практике температурные перепады между теплоносителями, значение которых обеспечивает соразмерность капитальных и текущих затрат.

УсловныйциклТН,длякотороговыполняютрасчет,представлен на рис. 14.

h

Рис. 14. Условный цикл ТН, используемый при расчете

27

Рис. 15. Изменение температуры теплоносителей:

а– ​в испарителе; б – ​в конденсаторе; в – в переохладителе;

г– ​в промежуточном теплообменнике

Диаграммы t-F (температура теплоносителя – поверхность​ теплообмена) представлены на рис. 15 для всех теплообменников, входящих в схему ТН с промежуточным теплообменником и переохладителем.

При расчете ТН задают:

– тепловую нагрузку ТН QТН, кВт, или массовый расход низкопотенциального теплоносителя Gн, кг/с;

28

–температуру низкопотенциального теплоносителя на входе

вТН tн1, °C;

–температуру низкопотенциального теплоносителя на выходе

вТН tн2, °C;

–температуру высокопотенциального теплоносителя на входе

вТН, tв1, °C;

–температуру высокопотенциального теплоносителя на выхо-

де в ТН, tв2, °C;

– температуру окружающей среды t0, °C;

– перепады температуры на выходе из теплообменников ∆tи,

∆tк, ∆tпо, °C;

– перепад температуры перегрева пара в промежуточном теплообменнике ∆tп, °C.

Перепады температуры ∆tи, ∆tк, ∆tпо и ∆tп нормируют на уровне, близком к 5 °C.

2.2. Расчет простейшего цикла

Цикл парокомпрессионного ТН без перегрева пара и переохлаждения жидкости представлен на рис. 16. Фактически цикл строят по результатам расчета.

Рис. 16. Цикл простейшего парокомпрессионного ТН

29

В испарителе теплота от низкопотенциального теплоносителя передается кипящему фреону, температура которого ниже. Температура кипения

По tи на пограничной кривой пара находим точку 1, для которой определяем h1 и p1 = pи.

В конденсаторе теплота передается от конденсирующегося горячего фреона к воде или воздуху, используемым для теплоснабжения.

Температура конденсации

По значению tк на пограничной кривой жидкости находим точку 3, в которой энтальпия равна h3, а давление pк = p3. На пересечении адиабаты S1 = const и изобары pк находим точку 2а. Определяем значение энтальпии h2а.

Сжатие в реальном компрессоре изоэнтропийным не бывает. Это учитывается при вводе КПД компрессора

ηa =0,98 273+t0 . 273+tк

Энтальпия перегретого фреонового пара в конце сжатия

h2 = h1 + h2aη−h1 .

a

По значению энтальпии h3 = h 4 в процессе дросселирования находим точку 4. На этом построение цикла завершается.

Удельная тепловая нагрузка испарителя

Удельная тепловая нагрузка конденсатора (равная теплоте, передаваемой на теплоснабжение)

qк = h2 – ​h3 = qТН.

30