Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепловые насосы. Теория принятия решений. Учебно-методическое пособие
.pdf
41
В таблице термодинамических свойств хладагента параметры на линии кипения (нижней пограничной кривой) обозначены параметрами с одним штрихом; на линии сухого насыщенного пара (верхней пограничной
кривой) – с двумя штрихами. Между линиями кипения и сухого насыщенного пара находится область влажного насыщенного пара.
Степень сухости влажного насыщенного пара (х) – отношение массы
сухого насыщенного пара к массе влажного насыщенного пара. Значение х
изменяется от 0 (кипящая жидкость) до 1 (сухой насыщенный пар).
По полученным значениям температур t1 и t2 заполняется таблице 3.
Таблица 3
Пример заполнения по значениям температуры
Параметры
Температура
h’, кДж/кг
h’’, кДж/кг
s’, кДж/(кгК)
s’’, кДж/(кгК)
t 1
t 2
Величина h – удельная энтальпия, s – удельная энтропия термодина-
мические параметры состояния.
Методика расчета
Манометры измеряют избыточное давление (давление, превышающее
атмосферное). Абсолютное давление – сумма манометрического (избыточного) и барометрического (атмосферного) давления. Для определения абсолютного давления воспользуемся формулой 6.
Р = В + Р
ман
, (6)
где В – атмосферное давление, измеренное барометром, Па.
Соответственно:
Р
1
= Р
1 ман
9,81 10 4 + В, Па; (7)
Р
2
= Р
2 ман
9,81 10 4 + В, Па. (8)
(1 МПа = 106 Па.)
Определив температуры t1 и t2, С, и давления Р1 и Р2, воспользуемся
таблицей теплофизических свойств фреона-12.
Из рисунка 21 видно, что точка два лежит на линии сухого насыщенного пара:
h 2 = h’’
(t 2),
, кДж/кг; (9)
s 2 = s’’
(t 2)
, кДж/(кгК). (10)
Точка три лежит на линии кипения:
h 3 = h’
(t 2)
, кДж/кг; (11)
s 3 = s’
(t 2)
, кДж/(кгК). (12)
Процесс 3–4 – дросселирование, h = const, следовательно:
h 4 = h 3 , кДж/кг. (13)
42
Для того, чтобы найти параметры в точке один, надо вначале найти
степень сухости в этой точке. Это можно сделать исходя из формул 14–15:
s 1 = s 2 , кДж/(кгК); (14)
x 1 =
s s
s s
t
t t
1
1
1 1
'
'' '
( )
( ) ( )
. (15)
Значение х1 находится в пределах 0,9 1 (для проверки). Тогда:
h 1 = h’’
(t 1)
x 1 + h’
(t 1)
(1 – x 1 ), кДж/кг. (16)
Удельное количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему
отопления помещения:
q 1 = h 2 – h 3 , кДж/кг. (17)
Удельное количество низкопотенциальной теплоты, подведенное
из окружающей среды к испарителю:
q 2 = h 1 – h 4 , кДж/кг. (18)
Удельная работа цикла:
l
цикла
= q
1
– q 2 = h 2 – h 1, кДж/кг. (19)
В процессе дросселирования работа не производится, поэтому работа
цикла равна работе компрессора. Мощность компрессора N = 0,2 кВт.
Расход хладагента по формуле 20:
G = N / l
цикла
, кг/с, (20)
где N – кВт; l
цикла
– кДж/кг.
Количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему отопления
помещения:
Q1 = q1 G, кВт. (21)
Количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окружающей среды к испарителю:
Q 2 = q2 G, кВт. (22)
Отопительный коэффициент:
= q1 / l
цикла
. (23)
Значение отопительного коэффициента должно быть больше единицы, что показывает, что в систему отопления помещения отдано теплоты
больше, чем затрачено работы, в раз за счет использования низкопотенциальной теплоты наружного воздуха. Это следует отразить в выводах.
Контрольные вопросы по лабораторной работе № 1
1. Цель лабораторной работы и объект исследования.
2. Для чего нужны тепловые насосы, область их применения?
3. Устройство и принцип работы теплового насоса.
4. Источники низко потенциальной теплоты.
5. Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепло-
вых насосах?
6. Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее?
7. Могут ли использоваться для теплоснабжения низко потенциаль-
ные источники теплоты напрямую без специальных устройств?
43
8. Является ли целесообразным обогрев помещения с помощью теп-
лового насоса? Если да, то почему?
9. В каком направлении тепловой насос переносит теплоту (от холод-
ного источника к горячему или наоборот)?
10. Что происходит при испарении хладагента (выделение или погло-
щение тепловой энергии)?
11. Что происходит при конденсации хладагента (выделение или по-
глощение тепловой энергии)?
12. Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса?
Порядок его величины.
13. За счет чего происходит повышение температуры хладагента в
тепловом насосе?
14. В какой части установки осуществляется подвод энергии?
15. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.
16. Перечислить величины, измеряемые в лабораторной работе, еди-
ницы измерения.
17. С помощью каких приборов проводились измерения?
3.2.
Лабораторная
работа № 2
Тепловой насос
Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение холодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин в 1852 г. предложил применить обратный цикл холодильной
машины для целей отопления, используя тепловой насос, который перекачивал бы теплоту, отобранную от холодного источника (внешней среды),
в помещение (внутреннюю среду).
Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового
насоса. Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора
на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,1–2,3 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 (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т. д.)
происхождения с температурой от +3 до +40°С, 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. В настоящее время в мире работает 15–18 млн тепловых насосов раз-
44
личной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК), к 2025 г. 85 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет
осуществляться с помощью тепловых насосов.
Цель работы – изучение цикла теплового насоса, определение коли-
чества теплоты, отбираемой у холодного тела, количества теплоты, передаваемой горячему телу, и коэффициента полезного действия цикла.
Теоретическая часть
Тепловая машина
Как известно, нельзя полностью превратить тепловую энергию в механическую. Возможно только частичное преобразование, и для этой цели
служат тепловые машины, например двигатели внутреннего сгорания автомобилей, тепловые электростанции, двигатели паровозов и др. Все они
имеют похожую структуру.
Тепловая машина состоит из нагревателя, холодильника, рабочего
тела и работает циклически (рис. 22).
Рис. 22. Схема тепловой машины и ее термодинамический цикл
Цикл тепловой машины следующий. Нагреватель передает рабочему
телу количество теплоты Q1. Нагревшееся рабочее тело совершает механическую работу A (например, вращая турбину) и отдает холодильнику теплоту Q
2
'
. Направление цикла – по часовой стрелке. Штрих в обозначении
Q
2
'
связан с тем, что Q2 – это количество теплоты, переданное от холо-
дильника рабочему телу (оно является отрицательным; Q
2
'
= –Q
2
'
).
По смыслу для холодильника больше подходит слово «охладитель», но
по историческим причинам используется название «холодильник». В качестве
холодильника может выступать любое холодное тело (например, окружающий воздух). Заметим, что термин «холодильник» не имеет ничего общего с
бытовыми холодильниками, используемыми для хранения продуктов.
Коэффициентом полезного действия (КПД) любого устройства называют отношение полезной работы к затраченной энергии. Тепловая машина
45
создана для превращения (частичного, конечно же) получаемой от нагревателя теплоты Q1 в механическую работу A. Значит, ее КПД
(24)
Так как в работу превращается лишь часть Q1, КПД тепловой машины
всегда меньше единицы.
Холодильная машина
Если обратить цикл тепловой машины против часовой стрелки, т. е. сделать устройство, в котором теплота отбирается от холодильника и передается
нагревателю, получится так называемая холодильная машина (рис. 23), Примерами холодильных машин являются всевозможные холодильные установки
и, в частности, используемые в быту холодильники.
Рис. 23. Схема холодильной машины и теплового насоса (слева),
их термодинамический цикл (справа)
Основная задача холодильный машины – отвод теплоты Q2 от охла-
ждаемого тела за счет совершения внешними телами работы A' (над рабочим телом) и передача теплоты Q
1
'
нагреваемому телу, в качестве которого
обычно выступает окружающая среда2. КПД (или холодильный коэффициент) холодильной машины:
(25)
КПД холодильной машины может быть как меньше, так и больше
единицы. Последнее утверждение ни в коей мере не нарушает закон сохранения энергии, поскольку работа A' не преобразуется в теплоту Q2 напрямую, а лишь инициирует отвод теплоты Q2 от охлаждаемого тела.
Тепловой насос
Тепловой насос – это устройство для перекачки теплоты от холод-
ного тела к горячему.
Схема теплового насоса совпадает со схемой холодильной машины.
Различие заключается в том, что целью теплового насоса является как
можно более эффективная передача теплоты Q
1
'
нагреваемому телу.
46
«Входной» величиной для теплового насоса, как и для холодильной машины, является совершаемая внешними телами работа A' (ее роль зачастую
играет потребляемая из сети электроэнергия).
КПД теплового насоса:
ηт м
′
′
(26)
С учетом (26) имеем:
ηт м
′
′
η
(27)
В холодильной установке (холодильнике для хранения продуктов)
в качестве охлаждаемого тела выступает внутренняя камера холодильника,
в качестве совершаемой внешними телами работы – потребляемая из электросети энергия, а в качестве нагреваемого тела – горячая сеточка, расположенная на задней стенке холодильной установки.
КПД теплового насоса является величиной, обратной КПД тепловой
машины, и всегда имеет значение, большее единицы.
Обычный нагревательный прибор (например, электронагреватель)
преобразует совершаемую внешними телами работу A' (например, электроэнергию) в теплоту. Работу (или электроэнергию) в теплоту всегда можно
превратить полностью. Выделяемая нагревателем теплота Q всегда равна
работе A', и, следовательно, КПД нагревателя равен единице:
ηн
′
(28)
Если электронагреватели использовать для нагрева воздуха в помещениях, количество отдаваемой воздуху теплоты будет равно потребляемой
из сети электроэнергии.
Тепловой насос, используя совершаемую внешними телами работу A
'
(например, электроэнергию), забирает у более холодного тела теплоту Q
2
сумму A' и Q2. и отдает нагреваемому телу в виде теплоты
Таким образом, отдаваемая нагреваемому телу теплота оказывается
больше потребляемой работы (или электроэнергии) и КПД теплового насоса
ηт н
′
′
(29)
В режиме теплового насоса могут работать многие виды современных кондиционеров. При их включении в режиме обогрева они забирают
с улицы теплоту Q2 и отдают ее вместе с потребляемой электроэнергией A
'
нагреваемому в помещениях воздуху.
При этом отдаваемая воздуху теплота может существенно превышать
потребляемую из сети электроэнергию, что делает данный способ обогрева помещений более выгодным по сравнению с обычными электронагревателями.
В зимнее время в качестве тела, у которого отбирается теплота, пред-
почтительнее использовать не окружающий здания холодный воздух, а име-
ющий плюсовую температуру грунт (или грунтовые воды), находящийся на
глубине нескольких метров. Промышленность технически развитых стран
выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов
47
тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт. Экономия энергетических ресурсов
достигает 70 %.
По принципу работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные приводятся в действие механиче-
ской энергией или электроэнергией. Абсорбционные – в качестве источника
механической энергии используют теплоту.
По видам источников отбора теплоты насосы подразделяются на:
геотермальные (используют теплоту Земли или грунтовых вод –
наземных или подземных). Бывают замкнутого (вещество, переносящее теплоту, циклически протекает по коллектору) и открытого типа (грунтовые
воды, проходя через тепловой насос, воз вращаются обратно в землю);
воздушные (источником теплоты является воздух). Таковыми явля-
ются кондиционеры, имеющие режим теплового насоса;
использующие производную теплоту (например, теплоту промыш-
ленных объектов).
Принцип работы теплового насоса
На рисунке 24 представлены основные элементы теплового насоса.
Низкопотенциальная теплота Q2 отбирается от холодного источника и поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело
(хладагент), циркулирующее в цикле. Источниками низкопотенциальной
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 постоянных давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышаются их давление и температура. При сжатии в компрессоре подводится
работа А от внешнего источника (электродвигателя). Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают свою теплоту Q1 в систему отопления помещения и конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянных давлении и температуре за счет отдачи теплоты. Жидкий хладагент
поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а
температура снижается до температуры низко- потенциального источника.
Цикл замыкается.
48
Рис. 24. Основные элементы теплового насоса
Экспериментальная техника
Техническая реализация работы теплового насоса основана в подборе такого рабочего тела (хладагента), у которого температура в испарителе ниже теплового источника, а в конденсаторе – выше температуры теплоприемника. Таким хладагентом чаще всего служит легкокипящая жидкость, имеющая при всех температурах цикла невысокие давления насыщения. Широко используются в качестве хладагентов фреоны, например
фреон-12 (CClF2), у которого температура кипения при атмосферном давлении Т = (273 – 29,8) K.
Экспериментальная установка PHYWE (рис. 25) состоит из сосудов
с водой (теплота отбирается из левого сосуда, а передается в правый), компрессора (в центре), манометров, термометров, измерителя электрической
мощности, хладопровода, дросселя. В качестве хладагента используется
хладон R134А. Процессы испарения и конденсации рабочего вещества
можно наблюдать через смотровое стекло теплового насоса.
Рис. 25. Экспериментальная установка
На рисунке 26 представлен цикл парового компрессорного теплового
насоса. Кривая имеет критическую точку K и очерчивает зону влажного
пара, в которой существуют совместно жидкая и газовая фазы. В этой зоне
49
изотермы параллельны оси V. Если исходить из точки 1, компрессор сжимает рабочее тело до точки два. В идеальном случае это действие протекает
без теплообмена с окружающей средой. На пути от точки два до точки три
выделяется теплота и конденсируется рабочее вещество. Затем рабочее тело
проходит через дроссельный клапан и достигает точки четыре. Когда изобарический процесс проходит от точки четыре до точки один, рабочее вещество отбирает энергию из окружающей среды и испаряется.
Температура рабочего тела не изменяется в процессе испарения или
конденсации. Перегрев паров происходит до конденсатора (см. рис. 26,
точка два лежит вне зоны влажного пара). Ограничитель клапана термостата, расположенный со стороны испарителя, гарантирует, что как перегретый пар, так и жидкое рабочее вещество не могут поступить в компрессор в
реальном процессе перекачки тепла. Работа, затраченная на осуществление
цикла, определяется только работой компрессора, так как расширение происходит без производства работы.
Рис. 26. Цикл парового компрессорного теплового насоса
Задание для лабораторной работы
1. Определить КПД теплового насоса в режиме вода-вода.
2. Определить отопительный коэффициент цикла теплового насоса в
режиме вода-вода.
Порядок выполнения работы
Задание 1.
1. Налить отмеренное заранее количество воды (4,8 л) в два резерву-
ара так, чтобы теплообменник был полностью погружен в воду.
2. До включения теплового насоса провести измерения всех начальных
температур воды: со стороны конденсатора – Т1, со стороны испарителя – Т2.
Результаты занести в таблицу.
3. Включить тепловой насос и секундомер.
50
4. Измерить поочередно температуру воды со стороны конденсатора
(Т1) и испарителя (Т2). Измерить среднюю электрическую мощность W, потребляемую двигателем компрессора. Результаты занести в таблицу.
5. Интервал между измерениями принять 3 мин. Продолжительность
всех измерений составляет 30–40 мин.
Объем воды: V1 = л; V2 = л.
Таблица 4
Пример таблицы к лабораторной № 2
t, мин
Т
1
, °C
Т
2
, °C
W, Вт
Wt, Вт·с
0
3
6 –
39
Построить зависимость изменения температуры (Т1 и Т2) воды в резер-
вуарах от времени.
Рассчитать потоки энергии Q со стороны конденсатора Q1 и испари-
теля Q2 по нагреванию и охлаждению воды в резервуарах для выбранного
момента времени (например, 10 мин):
Q1 = Cm1ΔT1, (30)
где С – удельная теплоемкость воды, Дж/кг; m1 – масса воды со стороны
конденсора, кг; ΔT1 – изменение температуры воды со стороны конденсатора за интервал времени Δt в выбранный момент времени t, град:
Q2 = Cm2ΔT2, (31)
где m2 – масса воды со стороны конденсора, кг; ΔT2 – изменение температуры воды со стороны конденсатора за интервал времени Δt в выбранный момент времени t, град.
Рассчитать затраченную для передачи теплоты работу компрессора
(форм. 32):
А = WΔt, (32)
где W – электрическая мощность, потребляемая двигателем компрессора;
Δt – интервал времени, за который передана теплота и изменилась температура воды со стороны конденсатора.
Рассчитать КПД теплового насоса для выбранного момента времени
(например, 10 мин):
Задание 2.
ηт н
′
′
(33)
Рассчитать отопительный коэффициент цикла, характеризующий эф-
фективность цикла теплового насоса.
ε = Q1 / A. (34)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]