Энергетическая оценка теплового насоса

Энергетическую эффективность компрессионного теплового насоса оценивают с помощью коэффициента преобразования ?, который представляет собой отношение теплопроизводителыюсти Q,, (кВт) к потребляемой мощности Рп (кВт)

Эффективность абсорбционного теплового насоса также оценивается с помощью коэффициента преобразования, но в этом случае коэффициент преобразования (коэффициент

теплоиспользовапия) выражается частным от деления теплопроизводителыюсти па термическую приводную мощность Qg. причем теплоприоизводителыюсть складывается из тепловой мощности конденсатора Qk и теплового потока QA , выделяющегося при абсорбции

Компрессорные и абсорбционные тепловые насосы работают на различных источниках энергии, поэтому энергетическое сравнение коэффициента преобразования с коэффициентом теплоиспользования возможно только с учетом коэффициента полезного действия устройств для получения энергии. Базой для сравнения служит первичная энергия, необходимая для осуществления рассматриваемых процессов. К первичным энергоносителям относят энергоносители, получаемые в установках, работающих на твердом или жидком топливе, и не подверженные никаким энергетическим

преобразованиям.

Коэффициент использования первичной энергии находят как отношение полезной энергии к подведенной первичной энергии. Полезной является энергия, которая поступает в распоряжение

потребителя после последнего технического преобразования и используется для технологических нужд.

С учетом приведенных определений коэффициент

использования первичной энергии может быть определен:

для компрессионных тепловых насосов с электрическим

приводом

где т|к. - коэффициент полезного действия электростанции; для адсорбционных тепловых насосов

где г|м - коэффициент полезного действия отопительного котла;

- коэффициент теплоиспользования.

Коэффициенты использования первичной энергии компрессионного теплового насоса 2 и абсорбционного теплового

насоса рЛ примерно равны к 0,9, если коэффициент преобразования е = 3, коэффициент полезного действия электростанции = 0,3, коэффициент теплоиспользования t,A = l,4 и коэффициент полезного действия отопительного котла тц - 0,65.

Величина коэффициента преобразования, необходимого для получения экономии первичной энергии, зависит от того, какой тип обычной системы отопления сравнивается с тепловым насосом.

Годовой расход первичной энергии при эксплуатации отопительной системы (кВт)

где Qn - годовая потребность в тепловой энергии (кВт);

t,pj - коэффициент использования первичной энергии в различных

системах отопления.

Таким образом, годовой расход первичной энергии Ерг при определенном требуемом Qn с ростом коэффициента использования первичной энергии ?р снижается, а при постоянном ? линейно

возрастает с увеличением Qn,

В целях экономии энергии необходимо применять системы отопления, обеспечивающие высокую степень использования первичной энергии.

Годовая экономия первичной энергии ДЕ (кВт) равна разности

между расходом первичной энергии в отопительной системе Ерг/ (кВт) и экономичной энергетической системе Е„г2 (кВт).

Удельная годовая экономия первичной энергии отопительных систем с тепловыми насосами по сравнению с различными видами отопления, характеризуемыми коэффициентом ,, зависит от

среднего коэффициента преобразования теплонасосной установки в течение отопительного периода гоп и коэффициента qp2. При этом

коэффициент использования первичной энергии теплонасосиой установки составит

Таким образом, можно утверждать, что система отопления с тепловым насосом предпочтительна по сравнению с иными конструкциями, если сравнивать их по расходу первичной энергии, особенно, когда коэффициент преобразования превышает минимальные значения. Максимальная экономия первичной энергии достигается при переходе от традиционной системы отопления на теплонасосную установку. С учетом сказанного можно утверждать, что с увеличением коэффициента преобразования при t,pi = const прирост экономии

первичной энергии снижается. Для определения прироста возьмем производную от выражения, полученного из уравнений (3.6) и (3.7)

Из уравнения (3.1), с учетом коэффициента преобразования кругового цикла Карно, можно получить

и

где v - степень термодинамического совершенства реального процесса;

Т]- температура источника высокой температуры;

Т0 - температура источника низкой температуры.

Выполняя технико-экономический расчет, следует определить, не превышает ли расход первичной энергии на изготовление и монтаж системы отопления с тепловым насосом ожидаемой экономии энергии по сравнению с другими типами отопления. При этом целесообразно характеризовать экономию энергии сроком окупаемости первичной энергии.

Под сроком окупаемости первичной энергии Erfr (кВт) понимается число лет, в течение которых суммарная экономия первичной энергии при эксплуатации новой смонтированной установки по сравнению с эталонной системой достигнет размеров, достаточных для покрытия дополнительных расходов па ее изготовление и монтаж

где Л?рг/ - затраты первичной энергии па дополнительные

капиталовложения (кВт);

Д- экономия первичной энергии при эксплуатации в течение

года (кВт).

Расходы первичной энергии на отопительную систему складываются из затрат первичной энергии ЕЛ1СМ (кВт) на производство основных материалов и расхода первичной энергии El>rlv (кВт) на переработку основных материалов в изделие:

где епсм - удельный расход первичной энергии на производство основных материалов, кВт-ч/т; тЕ - масса материалов, т; epf,!V - удельный расход первичной энергии на переработку основных материалов в изделие кВт ? ч / т ; mF - масса изделия, т [3.6]. Представление о принципе действия компрессионного теплового насоса дает рис. 3.3, на котором изображены обратный цикл Карно и цикл теплового насоса при постоянной температуре источника тепла.

Теплота, независимо от способа ее производства, может быть представлена на Т - S диаграмме как площадь фигуры 1-6-5-4, лежащей ниже температуры ее производства Т|. Она делится на часть тепловой энергии над линией температуры окружающей среды (площадь фигуры 2-6-5-3), т.е. эксэргию, и часть тепловой энергии под линией Тг (площадь фигуры 1-2-3-4), т.е. анергию. Эксэргия имеет термодинамическую ценность и может быть преобразована в другие формы энергии. Анергия термодинамически бесполезна, она имеется в неограниченном количестве в окружающей среде и не может преобразоваться в другие формы энергии.

Обратный цикл Карно (слева) и цикл теплового насоса (справа)

Рис. 3.3. Обратный цикл Карно (слева) и цикл теплового насоса (справа)

Состояние рабочего вещества изменяется следующим образом:

  • 2— >3 - изотермический подвод теплоты Qi при температуре Т2;
  • 3— >5 - изэитропное сжатие с затратой работы Ьз_5;
  • 5— >6 - изотермический отвод теплоты СЬ при температуре Ть
  • 6— >2 - изэитропное расширение с возвратом работы Ь6_2- Подводимое к рабочему телу тепло Qi соответствует площади

1-2-3-4, отводимое насосом тепло Q1+Q2- площади 1 -6-5-4, а работа цикла

Согласно первого закона термодинамики для круговых процессов имеет место равенство

где qi - количество тепла, отнятое (или сообщенное) от источника тепла высокой температуры (Дж), на рис. 3.2 это площади Q1+Q2;

q0 - количество тепла, сообщенное (или отнятое) источнику тепла низкой температуры (или окружающей среде) (Дж), на рис. 3.2 это площадь Qi;

ДЬ - механическая работа, полученная (или затраченная) в цикле (Дж).

В тепловом насосе эффективность цикла характеризуется отношением тепла, полученного при температуре Ть к затраченной механической работе. Эту величину называют теоретическим тепловым коэффициентом преобразования

Значение его больше единицы, так как всегда имеет место равенство.

Коэффициент преобразования называют еще коэффициентом теплопроизводителыюсти кц

где Qi и Q2 - количество тепла, (Дж/кг);

L - механическая работа, (Дж);

Т[ - Т 2 - температурный перепад цикла, К;

qK - кпд цикла Карно, протекающего между теми же

неизменными температурами внешних источников.

Из формулы видно, что теоретический тепловой коэффициент теплового насоса или коэффициент теплопроводности цикла тем больше, чем ниже верхний температурный предел рабочего тела Т2 и чем ближе отношение Т1/Т2 к единице. Абсолютная величина температуры источника теплоты оказывает лишь незначительное влияние в интервале температур от 0 до 40 °С. Поэтому наиболее целесообразно применение тепловых насосов, использующих низкотемпературные источники тепла для покрытия низкотемпературных тепловых нагрузок.

Таким образом, благодаря применению тепловых насосов при подводе механической энергии L= Ьз_5 - Ь6_2 может восприниматься теплота Qi при низкой температуре Тг и отдаваться теплота Q=Q|+L при высокой температуре Т|.

В реальности циклы тепловых насосов дают отклонения от идеального цикла Карно, которые характеризуется степенью термодинамического совершенства, выражающегося отношением реального коэффициента преобразования фр к идеальному <р

где т|тн - кпд теплового насоса, учитывающий все отклонения реального процесса от обратного цикла Карно вследствие особенностей термодинамического цикла, несовершенства рабочего тела и наличия потерь в тепловом насосе. В частности, вследствие дросселирования рабочего тела, процесс идет не по адиабате, а по линии постоянного теплосодержания (линия 6 - 7 на рис. 3.2).

Основная задача при проектировании отопительных установок с применением тепловых насосов заключается в том, чтобы при незначительной энергии привода, т.е. за счет высокого коэффициента преобразования или коэффициента теплоиспользования, сделать возможным применение естественных источников теплоты или отходящей тепловой энергии в том случае, когда их непосредственное использование уже не возможно из-за низкого уровня температур «40 °С) [3.38].

Тепловой насос состоит из двух агрегатов - компрессорного и испарительно-конденсаторного (АИК). Компрессорный агрегат содержит компрессор с регулятором производительности, электропривод, маслоотделитель, маслонасос, а также фильтры, запорную арматуру, трубопроводы и систему автоматизации. АИК состоит из конденсатора, испарителя, теплообменника, переохладителя, фильтра - осушителя, системы подачи жидкого фреона в испаритель. Оба агрегата - компрессорный и АИК - устанавливаются рядом, жестко закрепляются на фундаментах и соединяются между собой трубопроводами нагнетания и всасывания.

Принципиальная схема работы теплового насоса показана па рис.3.4.; 3.5

Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса

Рис. 3.4. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса

Замкнутая герметичная система установки заполнена хладагентом, который обладает свойством испаряться при низких температурах при атмосферном давлении. Тепловой цикл осуществляется в следующей последовательности. Поршень компрессора 1 сжимает газообразный хладагент и через нагнетательный клапан 2 с высоким давлением и температурой подает его по нагнетательному трубопроводу 3 в конденсатор 4. Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, через разделяющие стенки трубок которого отводится тепло от хладагента к нагреваемому теплоносителю. Количество отводимого тепла QK должно отвечать условиям превращения хладагента из газообразного в жидкое состояние.

Жидкий хладагент при давлении конденсации Рк поступает по трубопроводу 5 к дроссельному устройству 6 (терморегулирующий вентиль), где происходит уменьшение давления хладагента до давления испарения Р0, с давлением Р„ хладагент поступает в испаритель 7 (теплообменник непрерывного испарения), через разделяющие стенки трубок которого должно подводиться тепло от низкопотеициального источника Qx, обеспечивающее переход хладагента в газообразную фазу. Газообразный хладагент по трубопроводу 8 поступает к всасывающему клапану 9 компрессора. Далее цикл повторяется и осуществляется непрерывная циркуляция хладагента в системе теплового насоса.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Рис. 3.5. Принципиальная схема работы теплового насоса

На рис. 3.6 представлено изображение цикла парокомпрессионного теплового насоса в Т - S, lgP - I - диаграммах: участок ВН - сжатие паров хладагента до давления конденсации Рк; участок НК - отвод тепла перегрева и конденсации хладагента при постоянном давлении Рк; участок КД - необратимое дросселирование хладагента до давления испарения Р0; участок ДИВ - подвод тепла к хладагенту до состояния насыщенного пара.

Из приведенного описания видно, что работа теплового насоса обуславливается процессами изменения агрегатного состояния хладагента, циркулирующего в системе. Энергетические показатели (коэффициент преобразования, температура нагревания) самого теплового насоса в значительной степени зависят от применяемого хладагента.

Изображение цикла парокомпрессионного теплового насоса в а) Т - S и б) lgP - I - диаграммах

Рис. 3.6. Изображение цикла парокомпрессионного теплового насоса в а) Т - S и б) lgP - I - диаграммах

На рис. 3.7 представлен реальный цикл парокомпрессионпого теплового насоса, в реальных условиях эксплуатации возникают отклонения:

  • 1. в реальных условиях работы компрессора сжатие происходит не изэнтропически, а в зависимости от конструкции компрессора чаще всего политропически при п>х, не по линии Вр —> Нр, а по линии Вр —* Нр, причем для преодоления внутреннего сопротивления потока в компрессоре и внешнего в напорном трубопроводе требуется более высокое давление по сравнению с давлением конденсации;
  • 2. при прохождении потока через конденсатор по линии Нр —> К давление падает; для его восстановления компрессор должен затратить дополнительную работу;
  • 3. в жидкостном трубопроводе от конденсатора к регулирующему вентилю также падает давление, и в данном случае при температуре хладагента, превышающей температуру окружающей среды, теплота отдается в атмосферу, в результате чего перед регулирующим вентилем достигается состояние, соответствующее точке Кр;
  • 4. расширение в регулирующем вентиле происходит по линии I=const от точки Кр к точке Др;
  • 5. при прохождении через испаритель по линии Др —* Вр давление падает, вследствие чего снижается давление в испарителе.
Реальный цикл нарокомирессионного теплового насоса в IgP-I диаграмме

Рис. 3.7. Реальный цикл нарокомирессионного теплового насоса в IgP-I диаграмме

На рис. 3.8 представлены схемы производства тепла па основе тепловых насосов, использующих первичную энергию от различных источников (гидро- и теплоэлектростанции, двигатель внутреннего сгорания) с количественной оценкой возникающих при этом тепловых потоков.

Из этих схем видно, что независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает в 1,2 - 2,6 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива. Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что ТН вовлекает в полезное использование низкопотеициальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, грунтовых вод, природных водоемов, солнечная энергия) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до 40 °С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Эффективность применения теплового насоса показана на рис.3.9. В традиционном варианте теплоснабжения промпредприятия часть подводимой энергии отдавалась охлаждающей воде в градирне. Установка теплового насоса позволяет использовать эту теплоту и отказаться от котельной. На многих промпредприятиях почти 2/3 теплопотреблепия приходится на те технологические процессы, количество сбросного тепла которых составляет 35-40% и применение теплонасосиых установок для утилизации этого количества тепла делают их особенно эффективными.

Принципиальные схемы производства тепла с использованием тепловых насосов А - парокомнрессионный тепловой насос с электроприводом

Рис. 3.8. Принципиальные схемы производства тепла с использованием тепловых насосов А - парокомнрессионный тепловой насос с электроприводом;

Б - парокомпрессионный тепловой насос с приводом от двигателя внутреннего сгорания и утилизацией сбросного тепла ДВС;

В - одноступенчатый абсорбционный тепловой насос;

Qt - теплота, выделяющаяся при сжигании топлива;

Qii - тепловые потери; Qhii - тепло низкопотенциального источника; Qc - тепло выброса; Qnr - тепло, поступающее по требителю;

Ne -электрическая мощность, затрачиваемая на работу теплового насоса

Теплоснабжение с использованием ТНУ

Рис. 3.9. Теплоснабжение с использованием ТНУ

Теплоснабжение иромпредприятий

Рис.3.10. Теплоснабжение иромпредприятий: а, б - традиционная схема и энергетический баланс; в, г - рекомендуемая схема и энергетический баланс с применением ТНУ; 1 - 1радирня; 2 - технологическое оборудование; 3 -отопительные приборы; 4 - котельная; 5 - компрессор;

6 -конденсатор; 7 - дроссель; 8 - испаритель.

Применение тепловых насосов целесообразно как для крупных централизованных, так и для автономных установок.

Различные системы теплонасосных установок делятся на два основных типа: для коммунально-бытовых потребителей (системы кондиционирования воздуха, отопление и горячее водоснабжение) и для крупных промышленных предприятий (для технологических процессов и также для отопления и горячего водоснабжения).

ТНУ подразделяются по источникам и теплоносителям, назначению и конструкционным признакам.

В настоящее время разработаны и находят применение следующие основные группы тепловых насосов:

  • 1) компрессионные (паровые и газовые);
  • 2) струйные (эжекторного типа);
  • 3) абсорбционные;
  • 4) термоэлектрические.

Тепловые насосы - это единственные установки, которые производят в 3-8 раз больше тепловой энергии, чем потребляет электрической энергии привод компрессора, и поэтому являются наиболее эффективными источниками высокопотепциальпого тепла.

Принцип действия теплового насоса во многом зависит от их

типа.

В настоящее время применяются два основных типа ТН:

  • - парокомпрессионпые тепловые насосы (ПТН);
  • - абсорбционные тепловые насосы (АТН).
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >