Парокомпрессионные тепловые насосы

В настоящее время наибольшее распространение получили тепловые насосы, в которых осуществляется парокомпрессионный теплонасосный цикл. Они называются компрессионными тепловыми насосами или сокращенно ПТН.

Преимущественно в мире (>95%) используются парокомпрессионные ТН, которые различаются по

термодинамическим циклам - в основном это циклы Ренкина, Стирлинга, Брайтона; по типу компрессоров - поршневые, винтовые и турбокомпрессорпые; по степени герметичности - герметичные, бессальниковые и сальниковые.

В парожидкостных циклах, реализуемых в парокомпрессионпых холодильных машинах и тепловых насосах, рабочее вещество находится в виде жидкости, влажного пара, либо перегретого пара при давлениях и температурах ниже критических значений.

Парокомпрессионные тепловые насосы, работающие на хладопах, получили наибольшее распространение. По сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами парокомпрессионные тепловые насосы работают в более высоком диапазоне температур кипения и конденсации рабочего вещества. В парокомпрессиоиных ТН используются основные элементы холодильных машин (компрессоры, теплообменные аппараты и др.), а также одни и те же или родственные рабочие вещества (с температурой кипения от минус 40 до +10 °С при атмосферном давлении). Преимущественно используются рабочие вещества низкого давления с нормальной температурой кипения выше минус 10 °С (например ГФХУ, R142b, C2H3C1F2).

При создании тепловых насосов используется опыт,

накопленный в холодильном машиностроении. Однако схемы и циклы тепловых насосов могут существенно отличатся от холодильных машин. Так в схему на стороне высокого давления, последовательно с конденсатором, дополнительно включаются форконденсатор и переохладитель жидкости. Первый позволяет использовать наиболее высокую температуру рабочего вещества после компрессора. Переохладитель повышает экономичность цикла, когда ИВТ нагревается па большую разность температур (более 15 °С).

Применение рабочих веществ с наиболее благоприятными термодинамическими свойствами имеет первостепенное значение для создания высокоэффективных холодильных машин и тепловых насосов. Работы по поиску новых рабочих веществ и эффективных термодинамических циклов ведутся под руководством и при непосредственном участии И.М. Калииня в течении 25 лет [3.27; 3.28; 3.29; 3.32].

Актуальность этих работ многократно повысилась после введения в 1985 г. ограничений на производство и использование ряда широко применяемых рабочих веществ Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой земли в рамках Венской Конвенции об охране окружающей среды.

Поиск полноценных заменителей фтор-хлор углеродов (ФХУ) привел к все более широкому применению наряду с моновеществами (МВ) двух- или многокомпонентных рабочих веществ. Большинство из них является зеотропиыми смесями (ЗС), для которых характерна переменность температур фазовых превращений (в процессах кипения и конденсации рабочего вещества).

Термодинамические циклы па ЗС существенно отличаются от МВ и ранее изучены не были. Впервые была разработана теоретическая модель формирования характеристик

термодинамических циклов для смесевых зеотропных рабочих веществ [3.29; 3.74; 3.32]. Было показано, что для ЗС имеется больше, чем для МВ, предпосылок для реализации эффективных термодинамических циклов. Более высокая эффективность регенеративных циклов на ЗС достигается за счет двух факторов: сокращения необратимых потерь при теплообмене в основных теплообмепных аппаратах и снижения работы цикла вследствии повышения давления кипения при переохлаждении жидкого рабочего вещества. Влияние этих факторов тем больше, чем больше величина неизотермичности процессов фазовых превращений (ДТн). Разработана методика сравнительной оценки энергетической эффективности циклов на МВ и ЗС при одинаковых температурах теплоносителей. Методика базируется па определении степени обратимости базовых циклов (Ti), отвечающих единым условиям (таблица 3.1). Затем определяются коэффициенты, учитывающие изменения параметров регенеративных циклов того или иного вида по сравнению с базовым, с помощью которых сопоставляется эффективность реальных циклов. Разработан комплекс уравнений зависимости показателей эффективности

термодинамических циклов для простых (МВ) и смесевых зеотропных рабочих веществ от их теплофизических свойств, позволяющий оценивать ожидаемые характеристики систем: холодильных машин (ХМ), или тепловых насосов, вести направленный поиск рабочих веществ с заданными свойствами (таблица 3.2).

Особенностью термодинамических циклов на ЗС является то, что повышение давления кипения достигается путём переохлаждения жидкого рабочего вещества перед дросселем любым способом. В связи с этим при работе на ЗС возможно применение нескольких разновидностей регенеративных циклов: обычный регенеративный цикл Т2, в котором жидкое рабочее вещество перед дросселем (ДВ) переохлаждается в регенеративном теплообменнике (РТ) за счёт нагрева холодного пара перед компрессором; цикл ТЗ, в котором жидкое рабочее вещество (ЗС) перед ДВ переохлаждается за счёт выкипания части жидкого рабочего вещества в РТ; регенеративный цикл Т4, в котором жидкое рабочее вещество (ЗС) перед ДВ переохлаждается в РТ за счёт выкипания части жидкости и перегрева пара перед компрессором (рис. 3.9).

Таблица 3.1

Коэффициенты обратимости базовых циклов_

Коэффициент

Выражения для определения коэффициента г)Т1 d wbrkt

Т1(МВ)

Т1(ЗС)

Таблица 3.2

Коэс

)фициенты эффективности регенеративных циклов

Коэффициент

Выражения для определения коэффициентов в циклах

Для каждого вида регенеративного цикла выведены уравнения, характеризующие изменения теплопроизводительности (фт), работы цикла (хт), коэффициента преобразования (vj/т = фт Хт), по сравнению с базовым в зависимости от определяющих термодинамических свойств рабочего вещества (табл.3.2), каковыми являются приведенные средние удельные теплоёмкости насыщенной жидкости С' в интервале

температур кипения и конденсации и перегретого пара СР при давлении кипения. Более высокие значения С‘ снижают

эффективность базового цикла. Более высокие значения СР способствуют повышению эффективности регенеративных циклов.

Применяемые схемы и термодинамические циклы

Рис. 3.11. Применяемые схемы и термодинамические циклы: КМ - компрессор; К - конденсатор; И - испаритель;

РТ - регенеративный теплообменник; ДВ - дроссельный вентиль

Проведённое сравнительное экспериментальное исследование систем охлаждения при работе на MB R12 и зеотропных смесевых рабочих веществах R22/R142, R290/R600 подтвердило достоверность результатов анализа термодинамических циклов по разработанной методике Калниня И.М.

На основании проведённых исследований разработаны рекомендации по наиболее рациональным для конкретных условий схемам и циклам тепловых насосов, работающих на ЗС. Это создало условия для разработки и выпуска тепловых насосов на зеотропных смесях хладонов R22 и R142b, компоненты которых выпускаются в России.

Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а также для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

Существуют различные типы ПТН. По низкотемпературному источнику теплоты и нагреваемой среде ПТН подразделяются па типы: «вода-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух».

ТНУ «воздух - воздух» перекачивают тепло из внешнего воздуха внутрь помещения в режиме отопления и в обратном направлении в режиме кондиционирования. Установки устойчиво работают во всем диапазоне положительных внешних температур. В южных областях России, где температура редко опускается ниже О °С, тепловые насосы типа «воздух-воздух», оснащенные вспомогательными модулями электроподогрева, обеспечивают весьма эффективное решение задач отопления и кондиционирования.

ТНУ «вода - воздух» перекачивают тепло из воды в воздух помещения и в обратном направлении. Этот тип тепловых насосов применяется в различных геотермальных схемах, в которых водяной контур распологается в земле, водоемах или использует непосредственно воду из скважин. Этот же тип насосов используется в системах с кольцевым контуром для отопления и кондиционирования больших зданий.

ТНУ «вода - вода», которые так же известны как «чиллер - котел», могут охлаждать воду в целях применения в системах кондиционирования, либо нагревать в целях отопления. В режиме отопления такие насосы наиболее эффективны, когда они производят воду с температурой до 40...50 °С и выше. Поэтому они могут использоваться в воздушных системах отопления, либо в системах теплых полов.

По типу используемого компрессорного оборудования ТНУ подразделяются на: спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорпые. По виду привода компрессора - на электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины.

В качестве рабочего тела в данных машинах используются хладопы -преимущественно фторхлорсодержащие углеводороды - фреоны.

Парокомпрессионный фреоновый ТН представляет собой двухконтурный аппарат, где фреоновый контур является герметичным. Передача тепла от источника НПТ к фреону и от фреона к воде закрытой системы отопления происходит в кожухотрубпых теплообменниках. В тепловом насосе обеспечивается замкнутый цикл движения фреона.

Тепло от низкопотеициального источника поступает в испаритель ТН, где отдает свое тепло рабочему телу, например фреону. Образовавшийся пар фреона при сжатии в компрессоре нагревается до 80-95 °С и поступает в конденсатор, где, конденсируясь, отдает свое тепло в систему отопления. Затем жидкий, но еще горячий фреон в теплообменнике отдает тепло холодной воде, нагревая ее до уровня, необходимого для горячего водоснабжения.

Охлажденный жидкий фреон поступает в дроссель, где дросселируется до давления, при котором фреон переходит в парообразное состояние при температуре низкопотеициального источника, и цикл повторяется.

Источником для работы теплового насоса может любая проточная вода с температурой от 5 до 40 °С. Чаще всего в качестве источника тепла используют артезианские скважины, нагретые промышленные сбросы, градирни, незамерзающие водоемы. В тепловом насосе имеется три основных агрегата (испаритель, конденсатор, компрессор) и три контура (хладоиовый, водяной источника и водяной отопления). Испаритель - теплообменник, где в трубках движется вода источника, а между трубок - хладагент (хладон). Пусть через испаритель проходит 10-градусная вода (например, из скважины). Путем регулировки дросселем настраивается такое давление хладона в испарителе, чтобы температура его кипения составила 2-3 °С (все хладопы имеют крутую зависимость температуры кипения от давления).

При тепловом контакте с «горячими» трубками часть хладагента вскипает, «отбирая» при этом энергию у воды. Охлажденная вода, прошедшая через испаритель, сбрасывается в другую (приемную) скважину. Испаренный хладон, в свою очередь, всасывается в компрессор, сжимается им, и, нагретый, выталкивается в конденсатор.

Конденсатор по устройству - такой же теплообменный аппарат, как и испаритель. Попадая в межтрубное пространство с температурой 70-80 °С и вступая в теплообмен с обратной водой из системы отопления (50-55 °С), хладон конденсируется на «холодных» трубках, передавая свою энергию воде. Вода в трубках нагревается, а хладагент, уже жидкий, стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель. Так упрощенно выглядит рабочий цикл теплового насоса.

На рис.3.10 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса. В испаритель подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя в компрессор сжимаются до давления Рк и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер (дроссельное устройство) - устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, совершает полезную работу, где происходит расширение рабочего агента от давления рк до давления р0, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель и цикл замыкается.

К основным частям теплового насоса относится испаритель, который служит для отбора тепла из окружающей среды и в котором теплоноситель из жидкости превращается в пар (испаритель конструктивно выполнен в виде кожухотрубиого, змеевикового, регистрового или пластинчатого теплообменника); конденсаторы в тепловых насосах служат для передачи тепла сжатых и нагретых паров теплоносителя к потребителю непосредственно с помощью воздуха или с помощью промежуточной водяной системы отопления (конструктивно конденсаторы выполняют кожухотрубными). При этом вода системы отопления поступает внутрь труб, а пары фреона идут по межтрубному пространству. Сжиженный фреон отводится снизу.

В парокомпрессиоином теплонасосном цикле детандер заменен простым дроссельным (регулирующим) вентилем, так как, с одной стороны, производительность детандера невелика, а с другой - стоимость установки из-за него значительно возрастает.

Схема работы нарокомирессионного теплового насоса

Рис. 3.12. Схема работы нарокомирессионного теплового насоса

Рассмотрим работу испарителя и конденсатора как теплообменников с фактической разностью температур. На стороне источника теплоты в испарителе охлаждается поток жидкости или газа. На стороне приемника теплоты в конденсаторе поток жидкости или газа нагревается. Чтобы при заданной температуре вещества, поступающего от источника теплоты, можно было использовать данную теплоту, необходимо обеспечить более низкую температуру кипения в соответствии с характеристикой компрессора. Необходимо также обеспечить более высокую температуру конденсации в конденсаторе, чем температуру вещества, подавающего тепло потребителю. В зависимости от вида среды (воздух или вода) и скорости потока с учетом дополнительной разности температур в испарителе и конденсаторе необходимо преодолеть температурный перепад между холодной' и теплой стороной, на 10-20 °С больший, чем это предусмотрено температурами источника и потребителя тепла. Применение цикла Лоренца позволяет приблизить внутренний теплонасосиый цикл к внешним условиям.

Коэффициенты теплообмена зависят от режима потока, физических свойств веществ и геометрической формы теплообменника. Коэффициенты теплообмена имеют следующие значения, Вт/(м2 К): неподвижный газ 3-10, поток газа 10-100, поток жидкости 1000-10000, испаряющаяся жидкость 500-5000, конденсирующийся газ 500-1000.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >