Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепловые насосы. Теория принятия решений. Учебно-методическое пособие
.pdf
21
за отопительный сезон не превышает 2–2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.
1.3.2. Вода
Наиболее целесообразно применение отходов теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме того, используют также естественные горячие источники в курортных местностях.
Ввиду больших расходов употребление городской воды неэкономично. Однако водные источники из сравнительно глубоких слоев почвы,
имеющие температуру близкую к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.
Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10°С. Для использования воды как
источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата,
где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная
таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.
1.3.3. Грунт
Грунт применяют в качестве естественного источника тепла для зимнего отопления и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, причем выгодно используют его зонную аккумулирующую
способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2
до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в
грунте главным образом зависят от его влажности.
Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника тепла, применяются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам,
уложенным в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно).
Могут использоваться:
системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаря-
ющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного
в грунт;
системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопро-
воду, заглубленному в грунт.
В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них «двойного» теплообмена (грунт – рассол, рассол – хладагент)
и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.
22
1.4. Цикл теплового насоса
Рис. 7. Цикл теплового насоса в s - T-диаграмме
Теплообмен между рабочим телом и источником высокой температуры протекает при конечной разности температур необратимо. В результате такого теплообмена увеличивается энтропия (форм. 1):
(Sd – Sc) – (S2 – S3) = delta S (1)
Площадь под процессом 4 – 1, характеризующая количество подведенного тепла к рабочему телу, равна площади е – 4' – 5 – к, следовательно, процесс 5 – 4' характеризует убывание энтропии окружающей среды (форм. 2):
(S1 – S4) – (S5 – S4') = delta S1 > 0 (2)
Степень термодинамического совершенства этого цикла, как и в холодильном цикле, характеризуется коэффициентом обратимости. Для энергетической оценки цикла вводят коэффициент преобразования (трансформации) (форм. 3).
j = Q / L или j = E + 1 (3)
Если холодильная машина работает по теплофикационному циклу, то
для энергетической оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный, границей между которыми является температура окружающей среды.
1.5. Примерная схема теплоснабжения
с помощью теплового насоса
Тепловые насосы могут применятся для отопления зданий при круглогодичном кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нужд различных предприятий. Однако использование тепловых
насосов должно быть экономически обосновано.
Рис. 8. Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов
23
Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов показана на рисунке. Вода из отопительной установки направляется в сетевой насос СН и
нагнетается им для подогрева в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме и включенный последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1 вода нагревается от температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр. После этого вода направляется
в конденсатор второй ступени К2, где нагревается до температуры t1. Далее
вода входит в отопительную систему, отдает тепло обогреваемым помещениям и при температуре t2 вновь поступает в теплонаносную установку.
Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0
направляется из испарителя И в компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1
через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.
Режим работы теплонаносной машины определяется режимом работы
отопительной системы. При повышении наружных температур отопительного сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом
весь поток рабочего тела после компрессора КМ1 поступает в конденсатор
К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонаносная машина
регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на
дроссельный вентиль Д1.
При более низких температурах наружного воздуха включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит
к увеличению расхода электроэнергии.
Для круглогодичного кондиционирования в южных районах (отопление зимой, кондиционирование воздуха летом) распространение получают
мелкие теплонаносные автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки очень компактны и используют наружный
воздух в качестве источника низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках,
где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в
эксплуатацию.
24
1.6. Область применения различных насосов,
нагнетателей и компрессоров
Нагнетатели различных типов находят широкое применение в систе-
мах вентиляции и кондиционирования воздуха гражданских, общественных
и промышленных зданий, в системах тепло-, газо- и водоснабжения, в различных теплоэнергетических установках, в химической, добывающей, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства.
Наибольшее применение получили радиальные (центробежные)
нагнетатели со спиральным кожухом общего и специального назначения.
Используемые в качестве насосов, они создают напор 3500 м и более и
имеют подачу 100 000 м3/ч в одном агрегате; при использовании в качестве
вентиляторов их подача достигает 1 000 000 м3/ч в одном агрегате.
Центробежные насосы в системах теплоснабжения применяют для подачи сетевой воды. В теплоэнергетических установках центробежные
насосы применяют для питания котлоагрегатов, а также для подачи конденсата в системе регенеративного подогрева питательной воды и циркуляционной воды в конденсаторы турбин. Их используют также в системах гидрозолоудаления. Центробежные насосы применяют для подачи различных
растворов и реагентов в технологических системах производств; в строительной и угольной промышленности – при гидромеханизации разработки
грунтов и при гидравлическом способе добычи угля; в торфяной промышленности - для разработки залежей торфа и подачи смеси торфа с водой.
Осевые нагнетатели широко применяются как в качестве вентиляторов, так и в качестве насосов. В последние годы в связи с увеличением мощностей паровых турбин циркуляционная вода в конденсаторы турбин подается быстроходными осевыми насосами.
Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания
большого напора или малой подачи. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах (мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного газа.
Поршневые насосы применяют для питания паровых котлоагрегатов
малой паропроизводительности и в качестве дозаторов реагентов для поддерживания требуемого качества питательной и котловой воды крупных
котлоагрегатов. На тепловых электростанциях поршневые компрессоры
служат для обдува поверхностей нагрева котельных агрегатов с целью их
очистки от летучих золы и сажи, а также для снабжения воздухом пневматического инструмента и прессов.
25
Роторные нагнетатели применяют на электростанциях в системах
смазки и регулирования турбин (шестеренные насосы), часто используют в
качестве компрессоров.
Струйные нагнетатели получили широкое применение во многих отраслях народного хозяйства: в промышленной теплоэнергетике; в теплофикационных установках – в качестве элеваторов на вводах теплосети в здание; в системах вентиляции цехов химических предприятий, взрыво-, пожароопасных помещений – в качестве эжекторов в вытяжных установках;
в холодильных установках и для питания паровых котлов в передвижных
паросиловых установках – в качестве инжекторов; в установках пневмои гидротранспорта, водоснабжения и др. Струйные насосы используют для
удаления воздуха из конденсаторов паровых турбин и в абонентских теплофикационных вводах в качестве смесителей прямой и обратной воды.
Центробежные компрессоры являются основным видом компрессорных машин в химическом и металлургическом производствах. Эти машины
получают распространение в системах магистрального газоснабжения.
Компрессоры используются практически во всех отраслях народного
хозяйства. Сжатый воздух как энергоноситель применяется в различных
пневматических устройствах на машиностроительных и металлообрабатывающих заводах, в горнодобывающей и нефтяной промышленности, при
производстве строительных и ремонтных работ. Компрессоры необходимы
в газовой промышленности при добыче, транспортировке и использовании
природных и искусственных газов.
В химической промышленности газовые многоступенчатые компрессоры используются в циклах синтеза химических продуктов при высоком
давлении. В последнее время сжатый воздух, получаемый от поршневых
компрессоров, находит применение в текстильной промышленности как
энергоноситель для проведения ткацкого процесса.
В установках умеренного и глубокого холода, а также в газотурбинных установках компрессоры являются органической частью, в значительной степени, определяющей экономичность агрегатов.
26
ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АГАСУ
«НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ – ТЕПЛОВОЙ НАСОС»
НВИЭ1-ТН-С-К
Комплект типового лабораторного оборудования «Нетрадиционные
и возобновляемые источники энергии – Тепловой насос» НВИЭ1-ТН-С-К
предназначен для проведения лабораторно-практических занятий в высших
и средних профессиональных образовательных учреждениях и допускает
работу на нем при температурах от +10 до +35°С относительной влажности
воздуха до 80 % при +25°С
Технические характеристики:
1. Потребляемая мощность, В•А, не более 500.
2. Электропитание:
от однофазной сети переменного тока с рабочим нулевым и за-
щитным проводниками напряжением, В 220 ± 22;
частота, Гц - 50 ± 0,5.
3. Класс защиты от поражения электрическим током – I.
4. Габаритные размеры, мм, не более:
длина (по фронту) – 1900;
ширина (ортогонально фронту) – 850;
высота –1900.
5. Масса (без воды), кг, – не более 90.
6. Количество человек, которое одновременно и активно может рабо-
тать на комплекте – 2.
Описание комплекта:
1. Модель источника воды (бак для воды, подставка).
2. Блок теплового насоса.
3. Набор аксессуаров для комплекта НВИЭ1-ТН-С-К.
4. Руководство по выполнению базовых экспериментов «Нетрадици-
онные и возобновляемые источники энергии – Тепловой насос».
5. Компакт-диск с программным и методическим обеспечением ком-
плекта НВИЭ1-ТН-С-К.
6. Нетбук.
Руководство по выполнению базовых экспериментов «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии – Тепловой насос» включает себя
следующий перечень лабораторных работ:
1. Измерение и определение параметров и показателей режима работы
(температуры и давления хладагента в различных точках, потребляемой
электрической энергии, отдаваемой тепловой энергии, коэффициента преобразования) теплового насоса.
2. Определение зависимости коэффициента преобразования тепло-
вого насоса от температуры среды источника тепла низкого уровня.
27
3. Определение зависимости коэффициента преобразования тепло-
вого насоса от температуры среды потребителя тепла высокого уровня.
4. Регулирование производительности теплового насоса.
5. Измерение, определение и отображение параметров и показателей
режима работы теплового насоса с помощью компьютера.
Общий вид комплекта
Рис. 9. Устройство теплового насоса
На рисунке 9 изображен комплект теплового лабораторного оборудования. Его компоненты: 1 – лабораторный стол; 2 – подставка бака для воды;
3 – бак для воды; 4 – насосная станция; 5 – компрессор; 6 – теплоизолированный теплообменник (приемник тепловой энергии, конденсатор контура
хладагента); 7 – теплоизолированный теплообменник (источник тепловой
энергии, испаритель контура хладагента); 8, 9 – смотровые стекла; 10 – жидкостный ресивер; 11 – фильтр-осушитель; 12 – терморегулирующий вентиль; 13 – термобаллон терморегулирующего вентиля; 14 – манометр высокого давления; 15 – манометр низкого давления; 16 – индикатор температуры воды в теплообменнике – конденсаторе; 17 – индикатор температуры
воды в теплообменнике – испарителе; 18 – индикатор температуры жидкого
хладагента на выходе из конденсатора; 19 – индикатор температуры газообразного хладагента на выходе из испарителя; 20 – измеритель электрических
параметров компрессора; 21, 22 – ротаметры (измерители-регуляторы расхода воды) конденсатора и испарителя соответственно; 23 – кран подачи
воды; 24 – кран слива воды; 25 – дифференциальный автоматический выключатель; 26 – выключатель компрессора.
28
Рис. 10. Реальное фото лабораторной установки
Описание основных элементов теплового насоса:
Компрессор.
Именно этот прибор является основным элементом любой тепловой
системы: он отвечает за циркуляцию теплоносителя, за перенос тепловой
энергии из внешней среды в помещение. По той причине крайне важен корректный выбор компрессора для теплового насоса.
Существует несколько классификаций компрессоров, но для тепловых установок используют всего несколько типов устройств. Это винтовые,
поршневые, ротационные (роторные) и спиральные модели.
Винтовой.
Рис. 11. Винтовой компрессор
29
Принцип работы этих агрегатов основан на вращении двух винтовых
роторов. Движение элементов происходит в противоположных направлениях, благодаря такому вращению происходит сжатие среды.
Такие приборы отличаются высокой эффективностью, максимальной
надежностью, но имеют свои недостатки. Главные из них – большое энергопотребление и сильный шум. Винтовыми устройствами обычно оснащаются самые мощные модели тепловых установок, поэтому для тепловых
насосов, предназначенных для частных домов, это не лучший из вариантов.
Поршневой.
Рис. 12. Поршневой компрессор
В этих компрессорах сжатие рабочей среды происходит в цилиндре,
где поступательно-возвратные движения совершает поршень. Для таких
устройств характерна высокая эффективность, длительный срок эксплуатации. Минусы поршневых компрессоров – сильный шум при работе, высокая
цена приборов.
Данным типом компрессоров обычно оснащаются тепловые насосы и
холодильные установки большой либо средней мощности. Если говорить
о виде ТН, то их используют как в геотермальном оборудовании, так и в системах «воздух-вода».
Ротационный (роторный).
Рис .13. Роторный компрессор
30
В таких компрессорах сжатие газа обеспечивается вращающимися роторами. Самые распространенные устройства – роторные эксцентриковые
компрессоры, имеющие вращающийся поршень. В более совершенных моделях два таких элемента находятся на одном роторе. Плюсы этих конструкций – более высокий КПД, минимальные вибрации прибора.
Ротационными компрессорами оснащается большая часть тепловых
насосов «воздух-вода». Как правило, они имеют мощность до 15 кВт.
Плюсы роторных моделей – легкость, компактность, низкий уровень шума,
приемлемая цена. Минусы – невысокий КПД, ненадежность агрегатов.
Спиральный.
Рис .14. Спиральныйй компрессор
Сжатие рабочей среды в компрессорах спирального типа происходит за
счет взаимодействия двух спиралей. Одна из них неподвижна, другая совершает орбитальные движения относительно первой. Благодаря таким эксцентрическим движениям достигается перенос среды из одной полости в другую.
Это приборы отличаются большим ресурсом, низким уровнем шума.
Однако их минус –высокая цена. Спиральные компрессоры – элементы грун-
товых тепловых насосов, ими же оснащают модели «воздух-вода». Как правило, последние установки имеют среднюю мощность.
На выбор компрессора для теплового насоса могут повлиять и другие
факторы. Поскольку винтовую конструкцию в качестве претендентки
можно не рассматривать, то остается лишь три варианта. И в этом случае
логичным выбором для хозяев, которые собираются создавать установку са-
мостоятельно, будет одно устройство – ротационный компрессор.
Причины предпочтения – его невысокая цена. Если конструкция выйдет из строя раньше времени, то потери будут невелики. Что касается срока
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]