Тепловые насосы. Учебное пособие

гонногометраоребреннойтрубы,м2 (обозначениясм.нарис.20),

Расчет сводится к определению температуры стенки tст из условия q1 = q2 и определению линейной плотности теплового потока в испарителе qи = q1 = q2.

Используем обозначения, введенные в п. 2.1. Среднелогарифмический температурный напор

∆tср = (tн1 −lntиt)н−1 (−tнtи2 −tи ).

tн2 −tи

Средняя температура низкопотенциального теплоносителя

tсрн =tи −∆tср.

Кинематическуювязкостьν,м2/с,теплопроводностьλ,Вт/(м∙К), плотность ρ, кг/м3 и число Прандтля Pr для воды или антифриза выбираем потаблицам при температуре, близкой к tсрн .

КТО от теплоносителя к внутренней стенке трубы

41

где Pи – ​давление в испарителе; Pкр – ​давление фреона в критической точке; nтр.в – ​число вертикальных труб в испарителе (nтр.в = = 5… 15).

Подставляя значение α1 в уравнение для q1, получим

Суммарная длина трубок

lΣ = Qи ,м, qи

где Qи – ​тепловая нагрузка испарителя, Вт.

q

Рис. 21. Определение tст для испарителя

42

Поверхность теплообмена

F2 = F2Σ = F2 lΣ = F2qиQи ,м2.

Число труб в испарителе должно обеспечить заданную скорость воды или антифриза, расход которого (если он не задан) составляет

Число труб в одном ходе (с округлением до целой)

n= π 42Gнρ . d2 wн н

Длина трубы в одном ходе

Lx = πdF2Σnm,

где m–число​ ходов (обычно m=1дляупрощенияконструкции). Обычно Lx = 2… 6 м. Если изменение m не вводит Lx в эти пре-

делы, меняют скорость wн и повторяют расчет.

Расположение труб может быть ромбическим или концентрическим. Его выбирают по заводским нормалям, а затем рассчитывают диаметр обечайки испарителя.

При расчете конденсатора среднюю температуру воды принимают равной

Для воды КТО α определяют так же, как для испарителя, но фи-

зические свойства воды выбирают при температуре, близкой

к tсрв .

43

Температура пленки фреонового конденсата на поверхности труб

tпл = tсрв – ​∆tк,

при этой температуре определяют теплоту конденсации фреона r

где ρв – ​плотность жидкого фреона, кг/м3; λв – ​теплопроводность жидкого фреона, Вт/(м ∙ К); μВ – ​динамическая вязкость жидкого фреона, Па ∙ с.

Линейная плотность теплового потока от фреона к поверхности труб

где ε =(0,86+0,11677n)−1 – коэффициент​ , учитывающий количество труб по высоте n.

Расчет tст и FΣ выполняют так же, как для испарителя, по условию q1 = q 2. Расчет пароохладителей и промежуточных теплообменников выполняют по той же схеме, пользуясь справочными данными и эмпирическими формулами.

3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТИПЫ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

3.1. Типы холодильных машин

Парокомпрессионные ТН составляют подавляющую часть парка, используемого в самых различных целях и на различных уровнях мощности.

В то же время известны другие способы получения холода и, как следствие, принципиально пригодные для создания ТН.

44

Если в парокомпрессионном цикле охлаждение хладагента происходит в необратимом процессе дросселирования, то в газовых (воздушных) холодильных циклах адиабатное расширение рабочеготелавдетандереблизкокобратимому.Вабсорбционных машинах используется бинарный (двухкомпонентный) раствор, в котором температуры кипения компонентов резко различны. Здесь извне подводится не работа, а теплота, позволяющая поглощать и выделять низкокипящий компонент. В термоэлектрических устройствах охлаждение и нагрев обеспечиваются за счет эффектаПельтье:перепадтемпературсоздаетсяприпропускании постоянного электрического тока через батарею полупроводниковых пластин.

Остановимся на альтернативных схемах, наиболее пригодных для использования в режиме ТН.

3.2. Газовые тепловые насосы

Одним из важнейших требований современной энергетики является экологичность процессов. Для этого среди прочего осуществляется переход на безвредные хладагенты – воду​ , воздух, двуокись углерода в циклах холодильных машин и ТН.

Их применение заставляет пересмотреть как используемое оборудование, так и физические основы его действия.

Рассмотрим ТН, работающий на воздухе и реализующий обратный цикл Брайтона, который отличается от прямого цикла, по которому работают газотурбинные установки с изобарным подводом теплоты, как направлением процессов, так и температурным уровнем горячей и холодной сред.

Схема простейшего газового ТН представлена на рис. 22. Хладагент (воздух) сжимается в турбокомпрессоре Км, нагре-

ваясь выше температуры «горячей» среды, и поступает в теплообменник горячей среды (ТОГ), где отдает теплоту горячему теплоносителю. Выходящий из теплообменника ТОГ воздух поступаетнадетандер(турборасширитель)(Дт),гдеохлаждаетсяпри адиабатном расширении с возвратом части, затраченной на сжатие работы Дв. Охлаждаемый воздух поступает в теплообменник

45

холодной среды (ТОХ), где к нему подводится теплота от «холодной» среды.

Цикл газового ТН представлен на рис. 23. Он состоит из адиа- батсжатия1–2ирасширения3–4,атакжеизобарохлаждения2–3 и нагрева 4–1 воздуха.

ТОХ

Рис. 22. Схема простейшего газового ТН

s

Рис. 23. Цикл простейшего газового ТН

46

В первых работах У. Томсона описан именно такой цикл (см. рис. 1, 2), хотя с применением поршневого компрессора и расширительного цилиндра: турбинных устройств тогда не было.

Воздух, используемый в цикле, можно считать совершенным газом (пренебречь зависимостью его изобарной теплоемкости от температуры). При расчетах используем среднюю изобарную теплоемкость сpm в диапазоне реализуемых температур.

Холодопроизводительность цикла

q2 = h1 – ​h4 = сpm (T1 – ​T4),

гдеh1,h4 –​значенияэнтальпиихладагентанавыходеизТОХивходе внего; T1, T4 –​температуры награницах ТОХ.

ТепловаянагрузкатеплообменникаТОГ(производительностьТН)

q1 = h2 – ​h3 = сpm (T2 – ​T3),

где h2, h3 – значение​ энтальпии хладагента на входе в теплообменник ТОГ и выходе из него; T2, T3 – температура​ на границе ТОГ.

Техническая работа компрессора (подводимая извне) берется по модулю:

lсж = h2 – ​h1 = сpm (T2 – ​T1),

где h2, h1 – ​значение энтальпии на выходе из Км и на входе в него; T2, T1 – ​температуры на выходе из Км и на входе в него.

Техническая работа Дт (отдаваемая в цикле) lрасш = h3 – ​h4 = сpm (T3 – ​T4),

гдеh3,h4 –значения​ энтальпиихладагентанавходевДтинавыходе из него; T3, T4 – температуры​ хладагента на входе в Дт и на выходе из него.

Холодильный коэффициент

поскольку |lсж| >> |lрасш|.

47

Коэффициент преобразования энергии

В реальных газовых циклах эффективность процессов снижается ввиду их необратимости.

Для обратного цикла Карно 1–20–3–40–1 холодильный коэффициент

εк =T3 −1>ε.

T1

Цикл Карно и здесь определяет предельную эффективность обратного цикла Брайтона (рис. 24).

Тепловые насосы, работающие по обратному циклу Брайтона, делятся на два типа. В одном случае воздух, поступающий на вход Км из наружной среды при параметрах точки 1, сжимается до состояния в точке 2, отдает теплоту в теплообменнике ТОГ (процесс 2–3), расширяется в Дт и выбрасывается в окружающую среду с параметрами точки 4 (рис. 25, а).

Получить заметную разность температур (T2 – ​T1) в таком процессе не удается.

Рис. 24. Обратные циклы Брайтона и Карно

48

Рис. 25. Газовые ТН с разомкнутым процессом:

а– ​«снизу»; б – ​«сверху»

Вдругом случае (рис. 25, б) цикл «разорван» сверху. Эту схему предлагал и Томсон. Ее недостаток состоит в том, что сложно сделать детандер, работающий на вакуум. Кроме того, при температуре «холодной» среды ниже 6 °C теплообменник ТОХ обмерзает.

Кпреимуществам газовых ТН относятся:

–экологичность, отсутствие вредных выбросов;

–компактность, удобство компоновки;

–хорошая сочетаемость с системами кондиционирования воздуха;

–возможность масштабирования (от микроустройств до мегаустройств).

Существенны, однако, и их недостатки:

–высокая стоимость автономных ТН (кроме авиационных);

–материалоемкость ТН, большие габариты теплообменников «воздух–воздух»;

–шумность работы турбоустановок;

–требования к квалифицированной эксплуатации.

В целом газовые ТН менее эффективны, чем парокомпрессионные (ψ = 1,5… 2,0), но являются перспективными, в первую очередь благодаря высокой экологичности.

49

3.3.Абсорбционные тепловые насосы

Вабсорбционных ТН (АБТН) извне подводится не работа,

атеплота. Их действие основано на абсорбции – ​поглощении вещества всем объемом другого вещества.

Рабочие тела АБТН – ​бинарные растворы, температуры кипения компонентов (при одном и том же давлении) которых резко различаются. Один из компонентов в этом случае – ​хладагент, другой – ​абсорбент. Распространена, в частности, смесь хладагента аммиака с абсорбентом водой. В качестве хладагента используюттакже бромистый и хлористый литий и др. Выборрабочего тела обеспечивает работу АБТН при давлении конденсации, близком к атмосферному.

Рассмотрим диаграмму t-C (температура-концентрация) для

компонентовбинарнойсмесиАиВ(например,А–​NH3, В–H​2O) (рис. 26).

Проведем изотерму t1. Точки 1, 2 – ​состояния равновесия пара и жидкости, причем C1< C2, аммиака в жидкости меньше, чем в паре.

50