Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепловые насосы. Теория принятия решений. Учебно-методическое пособие
.pdf
31
эксплуатации, то здесь агрегат серьезно проигрывает соперникам: 8–10 лет
против 15–20 для поршневых и спиральных приборов. Однако всем и всегда
приходится искать компромисс.
Когда главное не цена, а качество и эффективная работа теплового
насоса, лучшим из приборов будет спиральный компрессор, способный работать при морозах, более простой конструктивно, а значит, максимально
надежный. Самыми качественными, долговечными приборами признаны
«детища» нескольких производителей:
Copeland, Emerson Climate Technologies (США): это изобретатели
данного типа компрессоров;
Danfoss (Дания);
Mitsubishi.
Испаритель.
Испаритель в тепловых насосах служит для того, чтобы при низкой температуре отбирать теплоту из окружающей среды или от теплоносителя; при
этом хладагент переходит из жидкой фазы в газообразную. В связи со значительным различием коэффициентов теплообмена потока газов и жидкостей
применяются различные конструкции испарителей для охлаждения жидкостей
и газов, которые в зависимости от конструкции можно разделить на следующие
группы: кожухотрубные, типа труба в трубе, змеевиковые, пластинчатые.
Поскольку коэффициенты теплообмена испаряющихся хладагентов
меньше или почти равны таким же коэффициентам для потока жидкости,
в качестве элемента, передающего тепло, используют гладкую трубу или
трубу с увеличенной поверхностью (оребренная труба) со стороны хладагента. Также теплоноситель часто загрязняет систему и вызывает коррозию.
Эти особенности оказывают серьезное влияние на выбор испарителя.
Кожухотрубная конструкция наиболее широко применяется в испа-
рителях для охлаждения жидкостей. Охлаждаемая жидкость может проходить как внутри труб, так и между ними. При движении охлаждаемой жидкости по трубам пространство внутри обечайки заполняется на 2/3 диаметра
хладагентом. Уровень жидкого хладагента обычно регулируется поплавковым вентилем. При таком принципе работы, если применяются малорастворимые хладагенты, требуются специальные меры по отводу масла из испарителя в компрессор. Очистка внутренней поверхности труб, заполненных
охлаждаемой жидкостью, может осуществляться как химическими, так и
механическими средствами после съема обеих водяных крышек. Предотвращению излишней загрязненности способствует высокая скорость движения
жидкости. Максимально допустимая скорость зависит от материала внутренних труб и ограничена максимальным заданным падением давления
жидкости в испарителе.
32
Рис. 15. Пример кожухотрубного теплообменника
Рис. 16. Устройство кожухотрубного теплообменника
В случае использования стальных внутренних труб для повышения коррозионной стойкости и уменьшения прилипания загрязнений рекомендуется
покрывать внутреннюю поверхность труб топким слоем пластмассы (дуропласта). Некоторое снижение коэффициента теплопередачи, вызванное пластмассовым покрытием, возможно лишь в начальном периоде эксплуатации, так как
через определенный промежуток времени теплообменники с пластмассовым
покрытием начинают обладать более высоким коэффициентом теплопередачи, чем обычные, благодаря меньшему слою загрязнений.
В испарителях с межтрубным движением теплоносителя внутрь труб с
помощью термостатических регулирующих вентилей впрыскивается лишь
столько жидкого хладагента, сколько необходимо, чтобы на выходе из испарителя образовался чуть перегретый пар. Возврат масла из испарителя в компрессор обычно не представляет проблемы, так как скорость пара хладагента
после полного испарения столь высока, что он сам захватывает масло и отводит его назад к компрессору. Другое преимущество такой технологии состоит
33
в том, что испаритель заполнен жидким хладагентом в меньшем количестве,
чем при эксплуатации испарителей затопленного типа.
Химический способ пригоден для очистки наружной поверхности
труб испарителя любой конструкции, загрязняемых охлаждаемой жидкостью, а механический способ очистки требует такой конструкции теплообменного аппарата, в котором пучок труб можно вынимать.
Двухтрубная конструкция (труба в трубе) применяется в основном
для малых производительностей (40 кВт). Преимущество такой конструкции состоит в том, что обе жидкости, участвующие в теплопередаче, получают встречное направление, точно соответствующее противотоку. Это
имеет значение при использовании неазеотропных смесей хладагента, так
как испарение смесей происходит не при постоянной, а при возрастающей
вдоль направления потока температуре. В испарителях этого типа хладагент
обычно проходит во внутренней трубе.
Рис. 17. Пример теплообменника типа «труба в трубе»
Конденсатор.
Конденсаторы в тепловом насосе служат для отвода теплоты при температуре, превышающей температуру окружающей среды или охлаждающего вещества. При этом хладагент переходит из парообразного состояния
в жидкое, т. е. конденсируется. В теплонасосиом цикле эта теплота, отобран-
ная у хладагента, представляет собой полезную теплоту. В качестве охлаждающих веществ для конденсаторов можно применять как жидкости (особенно воду), так и газы (особенно воздух).
Тип охлаждающего вещества, воспринимающего теплоту конденсации,
зависит в теплонасосном цикле от способа применения. Использование воздуха или других газов в качестве охлаждающих веществ для конденсаторов
имеет смысл лишь тогда, когда газ, используемый для охлаждения, представляет собой вещество, к которому должна подводиться полезная теплота. При
использовании жидкостей в качестве вещества, охлаждающего конденсатор,
34
их функцией часто является лишь транспортировка полезной теплоты от конденсатора к месту ее потребления (промежуточные теплоносители).
В связи с большим различием в значениях коэффициентов теплообмена газов и жидкостей применяют различные конструкции конденсаторов
с газовым и жидкостным охлаждением.
Конденсаторы с жидкостным охлаждением по конструктивному решению подразделяются на кожухотрубные, двухтрубные (труба в трубе) и
змеевиковотрубные специальной конструкции.
Поскольку коэффициенты теплообмена конденсирующегося хладагента ниже коэффициента теплообмена потока жидкости или примерно
равны, в качестве теплопередающего элемента также применяют гладкие
трубы или трубы с увеличенной поверхностью (ребристые трубы) со стороны хладагента. Использование труб с увеличенной поверхностью со стороны жидкости имеет смысл в определенных условиях только при ее безнапорном движении.
Кожухотрубную конструкцию также наиболее часто применяют и в
конденсаторах. При этом охлаждающее вещество пропускается внутри
труб, а хладагент конденсируется на наружной стороне труб в межтрубном
пространстве. Причем пар хладагента поступает в полость кожуха сверху,
сконденсировавшийся хладагент удаляется снизу. Чтобы получить, возможно более высокий нагрев охлаждающего вещества, необходимо обеспечить его движение снизу-вверх. Улучшенная реализация принципа противотока и более эффективное использование температуры перегретого пара
хладагента, поступающего в конденсатор, могут быть достигнуты при применении так называемого элементного (миогосекциоиного) конденсатора,
где несколько кожухотрубных теплообменников с относительно небольшим
числом труб в каждом расположены друг над другом.
Двухтрубная конструкция. Преимущество двухтрубных теплообменников (труба в трубе) – создание полного противопотока обоих веществ. При
этом благодаря использованию теплоты перегрева достигается более высокая
температура теплоносителя на выходе. Такую конструкцию рекомендуется
применять также при работе на неазеотропиых смесях в качестве хладагентов.
Хладагент может подаваться как во внутреннюю трубу, так и в зазор между
наружной и внутренней трубой (причем с целью повышения прочности, а для
тепловых насосов и с целью повышения термодинамических характеристик,
более целесообразно пропускать хладагент внутри труб).
Змеевиковотрубная конструкция. Поскольку коэффициенты теплооб-
мена конденсирующего хладагента больше, чем от потока газа, в конденсаторах с воздушным охлаждением в качестве теплопередающего элемента
всегда применяют трубы с увеличенной поверхностью (пластинчатые или
ребристые трубы) со стороны газа. С целью достижения большей компактности аппарата и его удешевления осуществляется принудительное движение газа или воздуха через пучки пластинчатых или ребристых труб. Чаще
35
всего применяют змеевиково-ребристые теплообменники. Размещение теплообменника и вентилятора, подающего воздух, в теплонасоспых установках зависит от условий применения.
Рис. 18. Пример змеевикового теплообменника
Теплонасосные установки, как указывалось выше, осуществляют полный цикл циркуляции теплоносителя и включают привод, приборы автоматического контроля и регулирования и защиты.
Производством тепловых насосов занимаются шесть организаций,
пять из которых делают ТН практически по зарубежным цепам (видимо, потому что используются импортные компрессорные агрегаты), в том числе и
завод «Компрессор», хотя он использует компрессоры своего производства.
Такие цены в нашей стране доступны только очень ограниченному
контингенту потребителей, что, безусловно, сдерживает развитие теплонасосного теплоснабжения в России. Средняя температура воды для отопления около 55°С. Это максимальная температура воды для теплоснабжения,
которую могут выдавать эти ТН, такой температурный режим осуществляется в большинстве ТН и за рубежом. Можно, не обращая внимания на инструкции и руководства по эксплуатации, заставить эти ТН выдавать воду
для отопления, например, заменив рабочее тело и организовав конденсацию
при температуре 75°С, что позволит получать воду с температурой +70°С.
Но это приведет к снижению теплопроизводителыюсти па 15–20 %, к резкому снижению коэффициента преобразования и значительному сокращению срока службы ТН.
Подготовка лабораторной установки к работе и ее запуск.
Перед первым включением установки перекрываем краны подачи 23
и слива 24 воды и заполняем бак три чистой водой с температурой 5–20°С в
количестве не менее 150 л.
Далее открываем кран 23 подачи воды (вода открыта), регуляторы ротаметров (регулировка интенсивности подвода/отвода тепла) 21, 22.
36
Включаем насосную станцию четыре автоматическим выключателем
«сеть» 25. При возникновении воздушной пробки осторожно ослабляем винт в
верхней части насосной станции четыре для выпуска воздуха из корпуса насоса.
Ротаметры 21, 22 должны наполниться водой, в баке три вода должна
начать вытекать из обратной трубы в верхней его части.
Открываем кран жидкостного ресивера десять.
Убедившись, что теплообменники шесть-семь заполнены водой, регуляторами ротаметров 21, 22 перекрываем ее подачу и включаем компрессор
пятой холодильной установки выключателем «питание компрессора» 26.
Дожидаемся выхода установки на установившийся режим работы
(3–7 мин.).
Убеждаемся, что в теплообменнике-конденсаторе шесть температура
растет (индикатор «температура среды потребителя тепла»), а в теплообменнике-испарителе семь – падает (индикатор «температура среды источника тепла»). Величины перегрева и переохлаждения лежат в пределах
3–10 К, в смотровом стекле восемь конденсатора отсутствуют пузыри и
пена, в смотровом стекле девять испарителя отсутствует жидкость, индикаторы смотровых стекол восемь-девять показывают цвет, соответствующий
надписи «Dry» (сухо).
37
ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА ОБОРУДОВАНИИ
«НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ – ТЕПЛОВОЙ НАСОС»
НВИЭ1-ТН-С-К
3.1. Лабораторная работа № 1
Цикл теплового насоса
Цель работы: Изучение цикла теплового насоса. Определение отопи-
тельного коэффициента цикла . Определение количества низкопотенциальной теплоты Q2, отбираемой у окружающей среды. Определение количества
теплоты Q1, передаваемой в систему отопления помещения.
Общие сведения:
Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным
на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса.
Тепловой насос − установка, при помощи которой осуществляется пе-
ренос энергии в форме теплоты, от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения.
Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на
единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней
мере в 1,12,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.
Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что
тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное
тепло естественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов,
грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40С, т. е. такое
тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.
Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют
традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива.
Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК)
к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.
Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15–18 млн тепловых насосов различной мощности – от нескольких
кВт до сотен МВт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насосами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию 74
крупные (от 5 до 80 МВт) теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320
МВт, работающая на принципе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах,
использует и зимой морскую воду с температурой 4С, охлаждая ее до 2С.
Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла,
38
получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого тепло насосными установками в Швеции, составляет около 50 % от
потребного.
Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение
холодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин (1852 г.) предложил применить обратный цикл для целей отопления, используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту,
отобранную от холодного источника (внешней среды) в горячий.
Введем следующие обозначения:
q2 – удельная теплота, отбираемая от холодного источника, кДж/кг
(низко потенциальная теплота);
q1 – удельная теплота (теплота, приходящаяся на единицу массы), передаваемая горячему источнику, кДж/кг (теплота, передаваемая в систему
отопления помещения);
l
цикла
– удельная работа, подводимая от внешнего источника, кДж/кг.
Можно записать:
цикла
lqq
21
; (4)
ци кла
l
q
1
, (5)
где – коэффициент преобразования или отопительный коэффициент цикла.
Этот коэффициент характеризует эффективность цикла теплового насоса.
Рабочий цикл теплового насоса представлен на рисунке 19.
q
1
Испаритель
Система отопления
Конденсатор
Дроссель
Компрессор
q
2
l
ц
Рис. 19. Рабочий цикл теплового насоса
39
Низкопотенциальная теплота Q2 поступает в испаритель теплового
насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее
в цикле. Источником низко потенциальной теплоты могут быть наружный
воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки,
вентиляционные выбросы и т. д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения – углекислота, аммиак,
фреоны. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе
подвода теплоты Q2 к жидкому хладагенту происходит его превращение
в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура.
При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа l
цикла
. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор,
где отдают свое тепло Q1 в систему отопления помещения и за счет отдачи
теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низко потенциального источника. Цикл замыкается.
Экспериментальная установка.
Q
1
L
Q
2
T
1
P
1
P
1
P
1
P
2
T
2
8
9
3
7
6
6
P
2
1541011
7
2
Рис. 20. Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка включает в себя: 1 – компрессор; 2 –
конденсатор; 3 – дроссельный вентиль; 4 – испаритель; 5 – электродвигатель; 6 – манометры; 7 – хромель-копелевые термопары; 8 – переключатель термопар; 9 – милливольтметр; 10 – барометр; 11 – термометр.
Порядок выполнения работы
1. Включить установку в сеть.
40
2. Дождаться выхода работы установки на стационарный режим, о ко-
тором свидетельствует неизменность показаний манометров.
3. Измерить при помощи манометров давление за компрессором и за
дроссельным вентилем перед испарителем. Результаты занести в таблицу.
4. С помощью барометра измерить атмосферное давление барометром
В , Па. Результаты занести в таблицу.
5. Измерить температуру окружающей среды термометром t
о с
,С. Ре-
зультаты занести в таблицу.
6. При помощи термопар и милливольтметра измерить температуры
в конденсаторе и испарителе в милливольтах и, пользуясь градуировочной
таблицей, перевести их в градусы Цельсия с учетом поправки на холодный
спай термопар (к табличному значению температуры вС прибавить температуру окружающей среды). Результаты занести в таблицу.
7. Выключить установку из сети.
Таблица 2
Пример таблицы для лабораторной № 1
Р
1ман
,
ати
Р
2ман
,
ати
В ,
Па
Р
1
,
МПа
Р
2
,
МПа
t 1,
мВ
t 2,
мВ
t
о с
,
С
t 1,
С
t 2,
С
Рассмотренный цикл теплового насоса в Т, s – диаграмме выглядит
следующим образом (рис. 21). Координаты Т – абсолютная температура,
К; s = dq/Т – удельная энтропия – термодинамический параметр состояния,
кДж/(кгК).
Линия
кипения
Линия сухого
насыщенного
пара
Область влажного
насыщенного
пара
h=const
T
2
T
1
S
S'(T1)
4
1
2
K
T
3
x= 1
x
1
S3=S'(T2)
S2=S1=S''(T2)
S''(T1)
x= 0
Рис. 21. Цикл теплового насоса:
1–2 – адиабатное сжатие хладагента в компрессоре;
2–3 – отвод теплоты из конденсатора
в систему отопления помещения (Р2 = соnst, t
2
= соnst); 3–4 – дросселирование;
4–1 – подвод низкопотенциальной теплоты из окружающей среды
к испарителю (Р
1
= соnst, t1 = соnst)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]