Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепловые насосы. Теория принятия решений. Учебно-методическое пособие
.pdf
51
Контрольные вопросы по лабораторной работе № 2
1. Для чего нужны тепловые насосы? Назовите область их применения.
2. Расскажите об устройстве и принципе работы теплового насоса.
3. Назовите источники низкопотенциальной теплоты.
4. Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепло-
вых насосах?
5. Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее?
6. Могут ли использоваться для теплоснабжения низкопотенциальные
источники теплоты напрямую без специальных устройств?
7. Является ли целесообразным обогрев помещения с помощью теп-
лового насоса? Если да, то почему?
8. В каком направлении тепловой насос переносит теплоту (от холод-
ного источника к горячему или наоборот)?
9. Что происходит при испарении хладагента (выделение или погло-
щение тепловой энергии)?
10. Что происходит при конденсации хладагента (выделение или по-
глощение тепловой энергии)?
11. Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса?
Назовите порядок его величины.
12. За счет чего происходит повышение температуры хладагента в
тепловом насосе?
13. В какой части установки осуществляется подвод энергии?
14. Назовите основные элементы экспериментальной установки и их
назначение.
3.3. Лабораторная работа № 3
Определение коэффициента преобразования теплового насоса
Цели экспериментальной работы:
изучение устройства экспериментальной установки «Тепловой
насос» и ознакомление с цепочкой переноса тепловой энергии от источника
низкопотенциальной тепловой энергии к потребителю с более высокой температурой;
изучение устройства лабораторного стенда «Тепловой насос»;
изучение методики и порядка проведения эксперимента;
изучение методики расчета и обработки результатов измерений;
проведение эксперимента с целью определения «коэффициента
трансформации энергии теплового насоса».
Теоретические сведения
Тепловой насос – это устройство, позволяющее принимать тепловую
энергию от низкопотенциальных тепловых источников, увеличивать тепловой
потенциал этой энергии, и передавать её для дальнейшего использования
(например, нагрев воды для горячего водоснабжения, отопления, и т. д.).
52
Термодинамический цикл у теплового насоса идентичен холодильной
машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то
в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным
аппаратом, выделяющим теплоту для теплоносителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые
источники энергии.
Тепловой насос, так же как и холодильная установка, в своей работе
используют переход агрегатного состояния вещества из жидкого в газообразное, и наоборот.
При работе холодильной установки теплота отбирается из охлаждаемого объема и передается в окружающую среду с более высокой температурой, то есть результатом осуществления холодильного цикла является не
только охлаждение теплоотдатчика, но и нагрев теплоприемника. В 1852 г.
Кельвин предложил использовать холодильный цикл для нагревания теплоносителя, используемого в системе отопления помещений. Холодильная
установка, которая используется для подвода теплоты к нагреваемому объекту, называется тепловым насосом. В таких условиях теплота как бы «перекачивается» от холодного источника к горячему.
Работа теплового насоса (рис. 27) мало отличается от работы паровой
компрессорной холодильной установки. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса является окружающая среда, например, воздух или вода водоемов и т.д. Из водоема вода с помощью насоса (на рис. 27
не показан) подается в испаритель 1, где происходит процесс парообразования. Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор 4, в котором он адиабатно сжимается от давления р1 до давления р2,
а температура повышается от температуры Т1 до Т2. При этом степень сухости пара возрастает и из компрессора выходит перегретый пар.
Рис. 27. Схема теплового насоса. 1-испаритель, 2- дроссель,
3- конденсатор, 4 – компрессор
53
Этот пар поступает в конденсатор 3, где за счет отдачи теплоты воде,
циркулирующей в отопительной системе, происходит его конденсация.
В конденсаторе сначала происходит изобарное охлаждение перегретого
пара, а затем его полная конденсация по изобаре-изотерме. Из конденсатора
хладагент выходит в состоянии насыщения. При давлении р1 и температуре Т1 он направляется в дроссельный вентиль 2, где дросселируется до
давления р2 и температуры Т2. После вентиля влажный пар при температуре Т2 с малой степенью сухости поступает в испаритель 1. За счет теп-
лоты, отбираемой у воды, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется, степень его сухости при этом возрастает. Затем хладагент направляется в компрессор 4 и цикл замыкается.
Рис. 28. Идеальный цикл теплового насоса
Идеальный цикл теплового насоса состоит из следующих процессов
(рис. 28): 1–2 – испарение хладагента в испарителе; 2–3 – адиабатное сжатие
хладагента в компрессоре; 3–4 – изобарное охлаждение перегретого пара;
4–5 – конденсация пара в конденсаторе с отдачей теплоты в отопительную
систему; 5–1 – дросселирование хладагента.
При работе теплового насоса график изменения температуры хладагента в испарителе и конденсаторе зависимости от времени будет выражаться подобным образом (рис. 29а,б)
54
Рис. 29а. Значение температуры хладгена
Рис. 29б. Значение температуры хладгена
55
Рис. 30. Значение температуры воды в конденсаторе и испарителе
График изменения давления хладагента во всасывающей и нагнетающей линиях в зависимости от времени:
Рис. 31. Изменение давления хладагента
АГАСУ предоставил возможность работы с экспериментальной установкой теплового насоса и пользоваться руководством по выполнению базовых
56
экспериментов ТН.002 РБЭ (2901.1). На этой модели теплового насоса был проведен эксперимент, а также происходило изучение принципа работы тепловых
насосов. Принцип работы этой установки достаточно достоверно моделирует
принцип работы реальных тепловых насосов, использующихся для отопления
и ГВС зданий. В качестве сред, где размещаются конденсатор и испаритель, используются емкости с водой. Общий вид комплекта типового лабораторного
оборудования «Тепловой насос» представлен на рис. 32.
Рис. 32. Устройство теплового насоса
На рисунке 32 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.
57
Рис. 33. Реальное фото лабораторной установки
Подготовка лабораторной установки к работе и ее запуск
перед первым включением установки перекрываем краны подачи 23
и слива 24 воды и заполняем бак 3 чистой водой с температурой 5–20°С
в количестве не менее 150 литров;
далее открываем кран 23 подачи воды (вода открыта), регуляторы
ротаметров (регулировка интенсивности подвода/отвода тепла) 21, 22;
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 и семь заполнены водой, ре-
гуляторами ротаметров 21, 22 перекрываем ее подачу и включаем компрессор пять холодильной установки выключателем «питание компрессора» 26;
58
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 и девять показывают цвет, соответствующий надписи
«Dry» (сухо).
Снятие замеров и расчет коэффициента К
Показатели лабораторной установки, полученные программой «тепловой насос», обобщены и занесены в таблицу 7. Снятие данных с экспериментальной установки проводиться с интервалом в 1 мин. У мощности компрессора и давлений манометров взяты усредненные значения.
Таблица 5
Пример снятия значений с лабораторной установки
№
Давление
при испа-
рении,
Мпа
Давление при
конден-
сации,
Мпа
t среды
источ-
ника
тепла,
°С
t среды
потреби-
теля
тепла, °С
t паров
хлада-
гента, °С
t жид-
кого хла-
дагента,
°С
Мощность
компрес-
сора, Вт
0
0,2
1,2
23,7
18,7
21,8
30,8
326
1
22,9
19,6
10,5
44,4
2
22,1
20,4
4,1
47,4
3
21,8
21,6
3,5
48,3
4
21,3
22,1
3,2
49,2
5
20,5
22,5
2,8
49,4
6
20,1
22,9
2,6
49,5
7
19,7
23,2
2,4
49,6
8
19,3
23,5
2,4
49,8
9
18,9
23,8
2,3
49,8
10
18,4
24,1
2,3
50
Коэффициент преобразования (трансформации) теплового насоса Кт
определяется как отношение полученной тепловой энергии Qт на выходе
теплового насоса к потребленной им электрической энергии Qэ.
QT=с*m*(T1-T2) (35)
где с – удельная теплоемкость воды равная 4,19 кДж/(кг*К);
m – масса жидкости в вёдрах (кг); В одном стендовом теплообменнике
взято примерное значение (10 кг).
Т1 и Т2 – растущие температуры среды потребителя тепла, разность во
времени между которыми 1 минута.
Потребленную при этом тепловым насосом электрическую энергию
Qэ можно определить, интегрируя активную мощность, потребляемую ком-
прессором из сети через каждую минуту.
59
Кт
т
э
(36)
Таблица 6
Выводы
В ходе исследования был изучен принцип работы теплового насоса
и оценка эффективности его использования. Экспериментальная работа
с модельной установкой теплового насоса ТН.002РБЭ(2901.1) позволила
произвести анализ зависимости коэффициента преобразования тепла от
режимов работы теплового насоса, однако для повышения коэффициента преобразования тепла для данной установки необходимо значительное охлаждение воды. Так как установка имеет малую разность между
температуры среды источника тепла и температуры среды потребителя
тепла, наибольший коэффициент преобразования тепла теплового
насоса равный 2,1 считается удовлетворительным. Для эффективного
внедрения ТН на ТЭЦ необходим коэффициент преобразования тепла в
диапазоне от четырех и более. Для достижения таких результатов требуется подбор теплонасосного оборудования других марок и технических
характеристик. На данном этапе, произведенный опыт является удовлетворительным, так как для достижения большего коэффициента преобразования теплового насоса необходимо наличие соответствующего оборудования, в связи с этим получение нужного результата не представляется возможным.
К сожалению, тепловые насосы пока не относятся к дешевому оборудованию. Затраты на установку системы очень внушительны. Однако
если рассматривать эксплуатационные расходы, то первоначальные вложения в геотермальный обогрев будут сравнительно быстро окупаться
за счет энергосбережения. Используя тепловые насосы, можно экономить достаточно значительное количество энергии и средств.
Контрольные вопросы по лабораторной работе № 3
1. Из каких основных элементов собрана лабораторная установка 1?
60
2. В чем заключается принцип работы термоэлектрического пре-
образователя в режиме теплового насоса охлаждения?
3. Какими аналитическими соотношениями описывается поглоще-
ние тепла на холодных спаях и выделение его на горячих?
4. Каково качественное влияние определяющих параметров, входя-
щих в формулы на исследуемые характеристики термобатареи?
5. Какова размерность параметров?
6. Как измеряется температура в опыте? Прямые это или косвенные
измерения?
7. Как оценить погрешность единичного измерения, серии измерений?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]