Коэффициент преобразования и мощность теплового насоса на нерасчетных режимах

Полный текст

Введение Тепловые насосы (ТН) получили широкое распространение в различных областях: жилищном строительстве, машиностроении, металлургии и т.д. Основная цель их применения - экономия энергетических ресурсов, улучшение экологических показателей. Удовлетворение требований Монреальского протокола, Киотского и Парижского соглашений является важной задачей науки и производства по продвижению теплонасосных технологий. Исследованию различных режимов эксплуатации ТН посвящена данная работа. Целью работы является разработка методики определения параметров ТН на нерасчетных режимах с использованием опытных данных и результатов предыдущих исследований. Методы исследования В работе на основе теории тепловых насосов рассматриваются изменения основных параметров ТН. Коэффициент преобразования μ и мощность N ТН являются главными параметрами, характеризующими его эффективность. Величина μ есть отношение тепловой мощности (теплового потока) Q, вырабатываемой ТН к мощности N, затрачиваемой на привод компрессора: Q Gв (tв2 - tв1 )Cpв m= = , N G(i2ад - i1) / hk (1) где Gв и G - расходы воды, охлаждающей конденсатор и рабочего тела ТН; tв1 и tв2 - температура охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора; Срв - теплоемкость воды; i1 - энтальпия рабочего тела ТН на входе в компрессор; t2ад - энтальпия рабочего тела при адиабатическом сжатии на выходе из компрессора; ηк - КПД компрессора, ηк = ηiηм; ηi, ηм - внутренний и механический КПД компрессора. Для определения μ из (1) можно нанести рабочий цикл TH на ts-диаграмму, определить величины энтальпий и подсчитать теплоту, получаемую в конденсаторе, переохладителе и испарителе [1; 2]. Для дальнейшего анализа удобно воспользоваться приближенным соотношением, основанном на обратном цикле Карно ТН: m= kmt = k Tк , Т к -Tи (2) где k - опытный коэффициент, k = 0,5÷0,6; μt - коэффициент преобразования цикла Карно; Tк и Tи - температуры конденсации и испарения, т.е. температуры рабочего тела на выходе из компрессора и на его входе при адиабатическом сжатии. Из (2) следует, что при малых подогревах ΔT = Tк - Tи £ 30 K, при Tк = 300 K, коэффициент μ может достигать 5 и более. Рассмотрим рабочий процесс ТН с поршневым компрессором. Условия перехода ТН на нерасчетный режим Переход на нерасчетный режим связан со следующими обстоятельствами: · изменением температуры воды на входе в конденсатор tв1; · изменением расхода воды Gв; · изменением расхода рабочего тела G. T КР 2 Tк 3 x 4 Tи x = 0 5 1 x = 1 S Рис. 1. Цикл теплового насоса в Т-S диаграмме [Fig. 1. Heat pump cycle on T-S diagram] 1. Изменение температуры охлаждающей воды. На графике (рис. 1) схематично изображен цикл ТН: 1-2 - сжатие рабочего тела в компрессоре; 2-x- 3 - его охлаждение в конденсаторе; 3-4 - охлаждение в переохладителе; 4-5 - дросселирование; 5-1 - передача теплоты в испарителе. Увеличение температуры воды tв1 на входе в конденсатор, как следует из (1), приводит к уменьшению μ, а при падении tв1 - к возрастанию μ. При известной температуре tв1 и температуре рабочего тела в конденсаторе tк температура tв2 определится из известного отношения tв2 = tв1 + E(tк - tв1), где E - тепловая эффективность конденсатора, равная 0,7-0,9; tк - температура рабочего тела в конденсаторе. Из этого уравнения следует, что температура tв2 на 3-5 °C ниже, чем tк, а температура tв1 на 3-5 °C выше, чем tи. Кроме этого, как видно из рис. 1, увеличение Tк приводит к росту давления рабочего тела в конденсаторе pк и росту i2ад, что не только влияет на μ, но и приводит к изменению мощности, затрачиваемой на привод компрессора: N = G(i - i ) 1 . h 2ад 1 к 2. Уменьшение расхода воды Gв через конT денсатор приводит к уменьшению диаграммы цикла, как показано на рис. 2. При этом КПД цикла Карно не меняется, но тепловая мощность ТН уменьшается из-за снижения расхода Gв. В результате коэффициент преобразования падает (1). При уменьшении расхода воды через испаритель диаграмма цикла меняется так, как показано на рис. 2. При этом на вход в КР 3 2 4 x = 0 5 1 x = 1 S компрессор поступает влажный пар рабочего тела, сжатие которого связано со снижением КПД компрессора. Это происходит не только из-за роста влажности, но и из-за уменьшения показателей адиабаты [3]. Рис. 2. Идеализированный цикл теплового насоса при уменьшении расхода воды через испаритель [Fig. 2. Heat pump ideal cycle with decrease in water flow rate through the evaporator] 3. Уменьшение расхода рабочего тела производится путем уменьшения частоты вращения компрессора nк. При этом снижается мощность, затрачиваемая на привод компрессора G = Vn · λ · ρ · nк/60, где Vn - рабочий объем цилиндров; λ - коэффициент подачи, λ = 0,75-0,85; ρ - плотность рабочего тела на входе. В том случае, если необходим постоянный подогрев воды в тепловом насосе, компрессор должен работать при постоянной степени сжатия πк = const и, как следствие, при постоянной плотности газа на его входе. Если при этом температура входящей и выходящей воды tв1 и tв2 постоянна, то это означает, что переход на частичные режимы связан с уменьшением частоты вращения компрессора. При этом его КПД и λ увеличивается (рис. 3) и коэффициент преобразования растет, а затрачиваемая на привод мощность снижается [4; 5]. h hк Снижение потребности в горячей воде l к от теплового насоса вызывает дросселироl вание паров рабочего тела с высокой влажностью и, следовательно, снижение расхода низкотемпературной воды приводит к сжатию в компрессоре влажного газа. Из-за этого уменьшаются πк и μ, и, как следствие, растет опасность гидравлического удара [4]. к p При уменьшении расхода рабочего тела и при постоянных температурах Tк и Tи точ- Рис. 3. Характеристика поршневого компрессора в зависимости от степени повышения давления и сухости пара ка начала дросселирования смещается в область влажного пара (x > 0). При этом КПД рабочего тела x: - x = 1; цикла Карно практически не изменяется, - - - - - x = 0,7) [Fig. 3. Characteristics of reciprocating compressor as a function of pressure ratio and dryness of steam of the working medium x: - x = 1; - - - - - x = 0,7)] однако КПД компрессора снижается из-за уменьшения расхода и увеличения влажности пара [4; 5]. Это приводит к уменьшению коэффициента преобразования. Заключение При увеличении температуры воды, охлаждающей конденсатор, коэффициент преобразования ТН падает. Уменьшение расхода воды, охлаждающей конденсатор, приводит к сдвигу точки начала сжатия рабочего тела в область его более высокой влажности, приводит к уменьшению тепловой мощности ТН и, как следствие, к уменьшению μ. Уменьшение расхода рабочего тела практически не влияет на КПД цикла Карно, а величина μ снижается из-за роста влажности газа, сжимаемого компрессором.

Об авторах

Юрий Александрович Антипов

Российский университет дружбы народов (РУДН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: rudn-tit@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: проектирование, производство и испытание конструкций элементов тепловых двигателей

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Иван Касьянович Шаталов

Российский университет дружбы народов (РУДН)

Email: rudn-tit@yandex.ru

кандидат технических наук, профессор департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: проектирование и растет теплонаносных установок

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Ирина Ивановна Шаталова

Российский университет дружбы народов (РУДН)

Email: rudn-tit@yandex.ru

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент департамента инженерного бизнеса и менеджмента Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: оценка эффективности применения инновационных технологий в технике

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Кирилл Владимирович Шкарин

Российский университет дружбы народов (РУДН)

Email: gohamoha69@gmail.com

ассистент департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: проектирование, производство и испытание конструкций элементов тепловых двигателей

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Список литературы