- •Необходимо определить наиболее эффективные тепловые схемы с высокотемпературными тепловыми насосами для систем цт в различных регионах России.
- •Необходимо разработать новые хладагенты для высокотемпературных тепловых насосов, не влияющие на глобальное потепление и озоновый слой.
- •Свойства r123
- •Использование каскадной схемы тну позволяет повысить коэффициент трансформации тепла в среднем на 20%.
- •Применение тепловых насосов в процессах дистилляции и разделения смесей
- •4. Принципиальные схемы применения тепловых иасосов
- •Применение тепловых насосов в процессах сушки
- •Применение тепловых насосов в процессах варки, концентрации и выпаривания. Процессы рекомпрессии пара.
- •10. Применение тепловых насосов в выпарных установках
- •11.Рекомпрессия паров
- •Тепловые насосы в теплоснабжении предприятий
- •12. Повышение потенциала теплового потока
- •14. Выработка пара
- •15. Крупные теплонасосные станции
Цикл работы ТН по T-S-диаграмме:
Рис. 1. Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса при использовании тепла сточных вод: 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - переохладитель; 4 - промежуточный сосуд; 5 - испаритель.
Рис. 2. Р-Н диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого теплового насоса на хладагенте R-134a на сточных водах.
Выводы
Расчеты показывают, что высокотемпературные тепловые насосы большой мощности с двухступенчатыми центробежными компрессорами могут обеспечить нагрев горячей воды до 85-90 °С и иметь коэффициент трансформации тепла =2,3-2,6 на сточных водах, морской и речной воде и =4-5 на обратной сетевой воде в зависимости от температуры хладагента в испарителе.
Необходимо определить наиболее эффективные тепловые схемы с высокотемпературными тепловыми насосами для систем цт в различных регионах России.
Необходимо разработать новые хладагенты для высокотемпературных тепловых насосов, не влияющие на глобальное потепление и озоновый слой.
Физическая модель теплонасосных опреснителей соленой воды
Рис. 1. Теплонасосный опреснитель соленой воды: а — упрощенная принципиальная схема опреснителя; б — упрощенная схема теплового насоса; в, г — термодинамический цикл ТН в координатах t—S u p—i; 1—2 — сжатие рабочего вещества в компрессоре; 2—3 — охлаждение и конденсация рабочего вещества в конденсаторе; 3—4 — дросселирование жидкого рабочего вещества в дроссельном вентиле; 4—1 — кипение рабочего вещества в испарителе; 5 — герметичный сосуд; 6 — конденсатор; 7— испаритель; 8 — компрессор; 9 — дроссельный вентиль; 10— насос для подачи соленой воды; 11 —рекуперативный теплообменник; 12 — вывод пресной воды; 13 — вывод концентрированной соленой воды (рассола); 14 — переохладитель рабочего вещества.
Свойства r123
Рабочее вещество R123 существенно отличается от широко применяемых и хорошо исследованных холодильных агентов своими теплофизическими свойствами, прежде всего
рекордно высокой молекулярной массой,
высокой нормальной температурой кипения и
критической температурой.
Принятые зависимости для расчета теплообменных аппаратов ТНО
Процесс |
Зависимость (формула) |
Условие применения |
Режим течения |
Ожидаемый коэффициент , Вт/(м2К) |
Нагрев соленой воды |
= 0,344Re0.705Pr0.33dЭKB, 45 < Re < 13200
|
Re = 1543 |
Турбулентный |
8160 |
Охлаждение дистиллята |
Re = 1710 |
Турбулентный |
8590 |
|
Нагрев соленой воды |
Re = 2901 |
Турбулентный |
12700 |
|
Охлаждение рассола |
Re = 3033 |
Турбулентный |
13000 |
|
Конденсация водяного пара |
конд = 1,288[32rконД/(dн)]0.25 |
GaKPr<1015 GaKPr = 8,51012 |
Ламинарный |
23700 |
Догрев соленой воды |
(?)=0,021Re0.8Pr0.43R/dBH |
Re = 104---5 • 106 Re = 2,8 • 104 |
Турбулентный |
3970 |
Кипение соленой воды |
Kип = 0,54(GrPr)0.25/dH |
Gr Pr = 500---2 • 107 GrPr = 2,4 106 |
Конвективный |
720 |
Переохлаждение R123 |
= 0,021Re0.8Pr0.43R/dЭКB |
Re = 104---5 • 106 Re = 1,5 • 105 |
Турбулентный |
1970 |
Конденсация R123 |
конд = 0,683(GaKPr)0,25R/dBH |
GaKPr<1015 GaKPr=l,11012 |
Ламинарный |
2220 |
Кипение R123 |
= a V + конв, av = 55Pr0.12(logPr)-0.55M-0.5q0.67, конв = 0,023Re10.8Pr0'4/dBH |
Pr = P/PKp, Pr = 0,0023---0,895 |
- |
- |
Выводы
Применение термодинамического цикла теплового насоса обеспечивает полную рекуперацию тепла фазовых превращений воды в одноступенчатом процессе дистилляции.
Рабочие параметры теплового насоса и дистиллятора, определяющие потребление энергии ТНО, жестко связаны и имеют строгое аналитическое описание.
Энергоэффективность определяется коэффициентом преобразования теплового насоса.
Выбранное экологически безопасное рабочее вещество R123 может быть использовано для температурных режимов дистилляции от 40 до 100 °С. При этом в пределе может быть достигнута энергоэффективность на уровне 5 кВтч/м3.
Высокая энергоэффективность опреснения достигается при низких температурных напорах и тепловых потоках в основных теплообменных аппаратах (испарителе и конденсаторе теплового насоса). Поэтому интенсивность процессов теплопередачи имеет первостепенное значение. Лимитирующими являются процессы кипения воды и рабочего вещества.
Процессы кипения и конденсации рабочего вещества должны происходить в каналах. При этом должно быть обеспечено низкое гидросопротивление в потоках, так как потеря давления напрямую и существенно снижает эффективность термодинамического цикла.
Для расчета коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации воды, а также при конвективном охлаждении и нагреве жидких сред (соленой воды, дистиллята, рассола) при надлежащем обосновании режимов процессов теплоотдачи могут быть использованы известные зависимости.
Для расчета коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации R123 известные зависимости не могут быть использованы напрямую, так как R123 является холодильным агентом узкого применения, обладает определенными теплофизическими свойствами и имеет ограниченный круг экспериментальных исследований по теплоотдаче.
В качестве базовой модели для расчета теплоотдачи при кипении R123 выбрана модель Гунгора—Винтертона. В ходе экспериментального исследования теплопередачи в испарителе теплового насоса получено подтверждение правильности выбора этой модели.
Для получения достоверных данных об интенсивности теплоотдачи при кипении R123 в канале испарителя надо определять величину необходимой теплообменной поверхности путем поэлементного расчета аппарата, а не оперировать средневзвешенными коэффициентами теплоотдачи для аппарата в целом.
Целесообразно и возможно применение центробежного компрессора теплового насоса, работающего на R123.
Полученные зависимости физической модели достаточны для формирования методики расчета ТНО.
Рис. 1. Принципиальная схема работы теплового насоса
Рис. 2. Изображение процесса работы ТНУ в Т— s-диаграмме:
Рис. 4. График зависимости коэффициента трансформации тепла одноступенчатой ТНУ от температуры в конденсаторе.
Рис. 3. Изображение в Т — s-диаграмме циклов работы ТНУ при разных температурах потребителя тепла
Рис. 5. Принципиальная схема каскадной тепловой насосной установки:
1, 2, 3, 4 - первая ступень каскада; 5, 6, 7,8- вторая ступень каскада; I - испаритель ТНУ первой ступени каскада; II - компрессор; III - конденсатор второй ступени каскада; IV - дросселирующее устройство; V - промежуточный теплообменник; tсв1 - температура сетевой воды на входе в конденсатор второй ступени каскада; tCB2 - температура сетевой воды на выходе из, конденсатора второй ступени каскада
Рис. 6. Изображение процесса работы каскадной ТНУ в Т— s- диаграмме:1, 2, 3, 4 - первая ступень каскада; 5, 6, 7,8- вторая ступень каскада
Рис. 7. Зависимость коэффициента трансформации тепла каскадной ТНУ от температуры в промежуточном теплообменнике
Рис. 8. Схема двухступенчатого повышения давления в ТНУ с двумя кондесаторами:
1, 2, 3, 4 - первая ступень каскада; 5, б, 7,8- первая ступень нагрева сетевой воды, вторая ступень каскада; 9, 10, 11, 12 -вторая ступень нагрева сетевой воды, вторая ступень каскада; I - испаритель ТНУ первой ступени каскада; II - компрессор; III - конденсатор второй ступени каскада; IV - дросселирующее устройство; V - промежуточный теплообменник; tCB 1 -температура сетевой воды на входе в первую ступень нагрева; tСВ2 - температура сетевой воды после первой ступени нагрева; tCB 3 - температура сетевой воды после второй ступени нагрева
Выводы