РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Испытание теплового нacocа для теплоснабжения индивидуального дома

А.А. Сухих, К.С. Генералов, И.А. Акимов

    There are considered a calculation, theoretical and experimental characteristics of the heat pump with heat productivity about 10 kWh. Outlines and parameters of the tasting ground and program of the heat pump tasting with using a zeotropic mixture are adduced.

    Значительное место в области применения теплонасосной техники принадлежит неольшим тепловым насосам (ТН) для теплоснабжения и горячего водоснабжения индивидуальных домов теплопро-изводительностью около 10 кВт. Источниками низкопотенциальной теплоты являются грунт (5…15°С) и грунтовые воды (8…15°С). Температура нагреваемой в ТН воды для горячего водоснабжения должна быть не менее 60°С. Если вода используется только на отопление, температура может быть ниже. Если требуемый нагрев воды 55 °С и ниже, то в качестве рабочего вещества можно использовать R22, для более высоких температур теплоносителей использование R22 невозможно в связи с высоким давлением конденсации, на которое не рассчитана большая часть компрессоров.

    При высоких температурах нагрева широко использовался R12, применение которого запрещено в связи с его высоким потенциалом разрушения озона. Вместо него в настоящее время применяется озо-нобезопасное рабочее вещество R134a.

    Нагрев воды в ТН характеризуется большой разностью температур воды (в конденсаторе) не менее 10°С. При выборе рабочего вещества, альтернативного R12, целесообразно использовать зеатропную смесь (ЗС) со значительной неизотермич-ностью (Тн) процессов фазовых превращений. Это позволяет повысить энергетическую эффективность термодинамического цикла ТН за счёт сокращения внешних необратимых потерь при теплообмене между рабочим веществом и теплоносителем. Таким рабочим веществом является двухкомпонентная смесь на базе двух переходных веществ R22/142b (60/40 % по массе), производимых в России.

    Термодинамические свойства этой смеси рассчитаны на кафедре низких температур МЭИ, а диаграмма состояния построена на кафедре ХКТ МГУИЭ (Тн для данной смеси составляет 8-10 °С).

    В работе [2] показано, что при осуществлении регенеративных циклов на ЗС со значительным Тн достигается увеличение энергетической эффективности по сравнению с "базовым" циклом за счёт повышения давления кипения, при этом одновременно снижается отношение давлений в цикле (= РК/Р0), в результате чего повышается рабочие коэффициенты компрессора (КПД, коэффициент подачи) и энергетическая эффективность ТН в целом.

    В табл. 1 сопоставлены показатели теоретических термодинамических циклов ТН при использовании рабочих веществ R134a, R22, ЗС ( R22/R142b ) для сле-дующих условий: конечная температура нагрева воды в конденсаторе +65°С, конечная температура охлаждения в испарителе +8 °С. При противоточном процессе теплообмена в испарителе и конденсаторе этим условиям отвечают температура кипения t0 = +5 °С для всех рабочих веществ; температура конденсации tК +69 °С для моновеществ; средняя температура конденсации tк.ср= +65 °С для ЗС.

    Для моновеществ рассмотрен обычный регенеративный цикл Т2 (рис. 1) с разностью температур на тёплом конце регенеративного теплообменника +15 °С.

Рисунок 1

Принципиальные схемы и термодинамические циклы теплового насоса

    Для ЗС рассмотрены три цикла T1, T2, Т4. Анализ целесообразно вести опираясь на простейший "базовый" цикл (Т1): одноступенчатое сжатие сухого насыщенного пара по изоэнтропе и одноступенчатое дросселирование насыщенной жидкости. В цикле Т2 жидкая фаза охлаждается в регенеративном теплообменнике (РТ) за счёт нагрева холодного пара перед компрессором. В цикле Т4 жидкая фаза охлаждается в РТ за счёт выкипания жидкости и нагрева пара перед компрессором.

    Из табл. 1 следует, что энергетическая эффективность ТН при работе на ЗС выше на 15-17%, чем при работе на моновеществе.

Таблица 1

Рабочее вещество

R134a

R22

R22/R142b

Характеристика циклов

Регенера-тивный

Регенера-тивный

Базовый

Регенера-тивный

Регенера-тивный с частичным выкипанием в РТ

Химическая формула

СH 2FСF 3

CHF 2C 1

СНF 2С 1/С 2Н 3F 2С 1

Давление кипения, Р 0, МПа

3,31

5,85

3,25

3,32

3,553

Давление конденсации, Рк,МПа

18,9

29,4

17,85

17,85

17,85-

Отношение давлений

5,7

5,025

5,5

5,376

5,024

Температура кипения, t 0,°C

+5

+5

сред.+5

сред.+5

сред.+5

Температура конденсации, tк,°C

+69

+69

сред.+65

Сред.+65

сред.+65

Удельная объёмная теплопроизводительность, qV, кДж/м^3

2033,3

3024

1914,3

2191,15

2199,3

Удельная работа на единицу объёма, 1v, кДж/м^3

714,3

1035,6

598,6

643,7

627,4

Коэффициент преобразования, µ

3,847

3,92

4,196

4,4

4,505

В % к R134а

100

101,89

109,07

114,37

117,1

    Влияние сокращения внешних необратимых потерь при теплообмене выявляется по показаниям "базового" цикла, эффективность которого на 9% превышает эффективность цикла на R22. Наиболее эффективным является цикл Т4, в котором

также реализуется наименьшее отношение

давлений ¶

    Надо отметить, что реально цикл на R22 в данном температурном режиме не может быть осуществлён из-за высокого давления конденсации. С другой стороны, необходимо учитывать, что удельная объёмная теплопроизводительность (qv) для ЗС почти на 30% ниже, чем для R22.

    В лаборатории кафедры ХКТ сотрудниками кафедры и научно-производственной фирмы "ЭКИП" разработан и построен испытательный стенд ТН, схема которого представлена на рис. 2. В состав ТН входит: компрессор (К), конденсатор, испаритель, ресивер со смотровой трубкой, фильтр-осушитель (ФО), электромагнитный вентиль (СВ), терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Рисунок 2

Схема испытательного стенда теплового насоса

На стенде установлена система контроля параметров установки в процессе проведения экспериментов и автоматического снятия показаний с датчиков, размещённых на стенде. В качестве первичных датчиков системы были выбраны датчики российского производства. Аппаратура преобразования сигналов датчиков и измерительные модули произведены ведущими в этой области фирмами Analog Device и National Instruments. Программная часть разработана при помощи интегральной среды LabWindows - CVI производства фирмы National Instruments. В качестве персонального компьютера для системы был выбран компьютер типа RoverBook Pentium 100/8/850.

    Обеспечиваемая точность измерений (при использовании штатных датчиков):

    - по температуре - не ниже 0,1 °С;

    - по давлению - не ниже 0,0025 МПа;

    - по расходу - не ниже 1,5% максимального значения.

    На стенде получены теплотехнические характеристики ТН при работе на R22 (табл. 2). Эти данные должны быть сопоставлены с характеристиками ТН при работе на ЗС.

Таблица 2

Температура кипения, t 0, °С

2,91

Температура конденсации, tk, °С

54,55

Температура теплоносителя на входе в испаритель, ts 1, °С,

8,2

Температура теплоносителя на выходе из конденсатора, tw 2, °C

50,1

Разность температур теплоносителя в конденсаторе, tw, °C

11,97

Расход теплоносителя в конденсаторе, Gк, кг/с

0,263

Мощность, потребляемая компрессором, Nэ, Вт

3270

Теплопроизводительность, Qк, Вт

13220

Расход хладагента, Ga, кг\с

0,063

Коэффициент преобразования, µ

4,04

Для исследования характеристик ТН, работающего на ЗС, испытательный стенд должен быть достроен, путём включения в схему регенеративного теплообменника специальной конструкции. )

    Как было показано выше, в ТН, работающем на ЗС, принципиально важно осуществить противоточный теплообмен в аппаратах, особенно в конденсаторе. Это достигается в аппаратах с конденсацией

и кипением рабочего вещества в каналах (трубах). В опытном ТН на стенде установлены теплообменные аппараты типа "труба в трубе" новой конструкции с

оребрением поверхностей по технологии деформирующего резания МГТУ им. Bayмана. Теплоноситель (вода) проходит до внутренней трубе, а рабочее вещество - в межтрубном (оребрённом) канале. Возможно также использование для этих условий аппаратов пластинчатого типа противоточной схемой (кипение или кон- денсация рабочего вещества в щелевых каналах пластин).

    Процессы кипения и конденсации ЗС R22/R142b в трубах исследованы Букиным В.Г. [3]. Зависимости для коэффициентов теплоотдачи, полученные в этих работах, могут быть использованы для расчёта ожидаемых коэффициентов теплопередачи при кипении и конденсации в канальных аппаратах в первом приближении. Расчёты по этим зависимостям позволили спроектировать теплообменные аппараты опытного ТН (испаритель, конденсатор, регенеративный теплообменник).

    Возможные отклонения зависимостей по коэффициентам теплоотдачи в канальных аппаратах от данных, полученных для гладкой трубы, должны быть выявлены по результатам экспериментальных данных на стенде. Это позволит откорректировать зависимости и разработать методики расчётов теплообменник аппаратов.

    На этапе испытания опытного ТН на ЗС R22/R142b должны быть получены следующие результаты: внешние характеристики ТН в широком диапазоне изменения температур теплоносителей; тепловые характеристики основных теплообменных аппаратов при различных температурных условиях и тепловых нагрузках; характеристики герметичного компрессора при работе на ЗС. Эти результаты позволяют сопоставить экспериментальные характеристики с расчётными, откорректировать первоначально использованные зависимости, разработать методику расчёта ТН и его элементов при работе на ЗС.

Библиографический список

1. Калнинь И.М. Перспективы развития тепловых насосов. // Холодильная техника. - 1994. - №1. - С. 4-8.

2. Калнинь И.М., Фадеков К.Н. Эффективность альтернативных хладагентов. // Холодильная техника. - 1999. - №4.-С. 10-13.

3. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных машин на смеси R22/R142b. // Холодильная техника. -1996,-№5.-С. 12-14.

Сухих А.А., Генералов К.С., Акимов И.А., Испытание теплового нacocа для теплоснабжения индивидуального дома

Источник: TransGas Industry, www.transgasindustry.com

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Тематические закладки пользователей:

Tеги: тепловой насос

Похожие статьи:

Программы Auditor

Технический семинар «Организация ремонта и повышения ресурса тепловых сетей»

Подробнее