3. Расчет режима работы теплонасосной установки и выбор тепловых насосов

Задачей расчета является определение расходов всех потоков воды, ее температуры, тепловых нагрузок теплообменников, теплопроизводительности теплонасосной установки, типоразмера и коли­чества тепловых насосов.

Исходные данные для расчета включают данные, приведенные в п.1.2, а также функциональную схему системы водоснабжения и тип тепловых насосов.

Считаем, что функциональная схема системы водоснабжения соответствует приведенной на рис. 1. В качестве тепловых насо­сов применяются парокомпрессионные тепловые насосы с маслозаполненным винтовым компрессором.

Расчет выполняется в следующей последовательности. Объемный расход воды на горячее водоснабжение

,

где с, - удельная теплоемкость и плотность воды.

Температура подпиточной воды системы горячего водоснабже­ния на выходе из предварительного теплообменника

где - недогрев подпиточной воды в предварительном теплооб­меннике до температуры оборотной воды, принимается =2...5⁰С

Тепловая нагрузка предварительного теплообменника

Теплопроизводительность теплонасооной установки

Q=Q₀+ Q_в+ Q_гв.

Количество рабочих тепловых насосов

где Q_кн,Q_мн - номинальная теплопроизводительность конденса­тора и маслоохладителя выбранного теплового насоса /см. табл. 1 Приложения/.

Количество устанавливаемых тепловых насосов с учетом резер­ва

N_уст=N+1.

Рекомендуется использовать однотипные и наиболее мощные тепловые насосы, стремясь к максимальному использованию их мощ­ности. Минимальное количество тепловых насосов должно быть не менее двух /один рабочий и один резервный/. Тепловые нагрузки конденсатора и маслоохладителя каждого теплового насоса в расчетном режиме

Тепловая нагрузка конденсатора в расчетном режиме

Q_к=Q_км - Q_мн.

Тепловая нагрузка испарителя в расчетном режиме

где - коэффициент трансформации теплового насоса, принимается = 3,2...4.

Расход оборотной воды через предварительный теплообменник и испарители тепловых насосов

Расход оборотной воды на градирни

V_г=V_ов-V_нп.

Расход воды на отопление

.

Расход воды на вентиляцию

.

Тепловая нагрузка разделительного теплообменника

Q_рт=V_гвс(t_гв-t_пт).

Температура горячей воды в промежуточном контуре конденсаторов и маслоохладителей тепловых насосов на выходе из разделительно­го теплообменника

t_рт= t_пт+ t_но,

где t_но - недоохлаждение воды промежуточного контура в разделительном теплообменнике, принимается  t_но= 5...10⁰С.

Расход воды из промежуточного контура для нагрева воды на горячее водоснабжение в разделительном теплообменнике

Расход воды в промежуточном контуре

V_пк=V₀+V_в+V_рт.

4. Выбор схем включения испарителей и конденсаторов тепловых насосов

Наилучшие энергетические показатели теплонасосной установки достигаются при последовательной схеме включения конденсаторов тепловых насосов по нагреваемой воде. В этом случае во всех кон­денсаторах, кроме последнего, температуры и давления рабочего аген­та ниже расчетных. Для испарителей тепловых насосов в общем слу­чае наиболее предпочтительной является параллельная схема вклю­чения по охлаждаемой воде. При этом обеспечиваются максимальные температуры и давления рабочего агента во всех испарителях.

Возможность оптимального соединения ограничена необходимостью обеспечения требуемых по техническим характеристикам тепло­вых насосов номинальных расходов воды через испаритель V_ин и конденсатор V_кн . Допустимое снижение расхода составляет 70 % от номинального значения, поскольку при меньших расходах значительно падает коэффициент теплопередачи в испарителе и конденсаторе. Превышение номинального расхода более чем на 5 % недопустимо, так как в этом случае возрастают энергозатраты на прокачку воды. Для оптимального соединения испарителей и конденсаторов тепловых на­сосов необходимо выполнение условий:

V_нп=(0,7...1,05)NV_ин,

V_пк=(0,7...1,05)V_кн.

На практике возможно несоответствие значений V_нп и V_ин, V_пк и V_кн. Тогда при V_пк<0,7V_кн и V_пк>1,05V_кн используется байпасная линия. При этом в первом случае разделе­ние потока осуществляется после выхода из конденсатора послед­него теплового насоса по ходу нагреваемой воды, а во втором - перед входом в конденсатор первого теплового насоса.

При 1,05V_ин<V_нп<0,7NV_ин рекомендуется сое­динять испарители в S последовательных ступеней по 2...3 парал­лельно включенных испарителя в каждой ступени и тогда

V_нп=(0,7...1,05)N(V_ин/S)

Если V_нп=(0,7...1,05)V_ин используется последователь­ное включение испарителей при противоточной схеме движения охлаж­даемой воды через испарители и нагреваемой воды через конден­саторы тепловых насосов. По сравнению с прямоточной схемой в этом случае обеспечиваются несколько лучшие /на 3...5%/ энергетические показатели теплонасосной установки, более равномерная нагрузка на отдельные тепловые насосы.

При V_нп<0,7V_ин предусматривается байпасная линия, и разделение потока воды осуществляется после выхода из испарителя последнего теплового насоса по ходу охлаждаемой воды.

Маслоохладители тепловых насосов соединяются параллельно и включаются в промежуточный контур нагреваемой воды перед кон­денсаторами с целью обеспечения наилучшего охлаждения масла.

Расчет температуры воды на входе и выходе из испарителей и конденсаторов тепловых насосов ведется следующим образом.

Выбирается нумерация тепловых насосов, например, в направлении движения охлаждаемой воды через испарители.

Температура охлаждаемой воды на входе в испаритель первого теплового насоса после предварительного теплообменника

,

Температура охлаждаемой воды на выходе из -го испарителя рассчитывается с учетом охлаждения ее в испарителе

.

Для последовательно соединенных испарителей N тепловых насосов температура воды на входе в /i + 1/-й испаритель равна температуре воды на выходе из i-го испарителя, т.е.

i=1,...,N-1.

Проверка расчета распределения температуры охлаждаемой во­ды производится в соответствии с условием

.

При параллельном соединении испарителей температуры воды на входе в каждый испаритель равны между собой. Также равны меж­ду собой температуры воды на выходе из каждого испарителя.

Для последовательно соединенных конденсаторов тепловых насосов, противоточной схемы движения воды через конденсаторы и испарители, а также ранее принятой нумерации тепловых насосов

Температура нагреваемой воды промежуточного контура на вхо­де в маслоохладители тепловых насосов

,

Проверка расчета распределения температуры нагреваемой во­ды производится на основании уравнения теплового баланса при смешении потоков воды промежуточного контура, поступающих из раз­делительного теплообменника, систем отопления и вентиляции,

.

Средняя температура воды в конденсаторах и испарителях тепловых насосов

Для каждого теплового насоса рассчитывается разность сред­них температур воды в конденсаторе и испарителе

.

Максимальное значение этой разности температур соответствует тепловому насосу, который работает в наиболее тяжелых условиях.