Модификации тепловых насосов [#3]

УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
В.Н. ЛЕОНОВ1, В.М. ОСАДЧИЕВ2, А.Н. ПЕТРОВСКИЙ2,
П.П. ПОЛУЭКТОВ3, А.С. ЧЕРНОВ2
1НИКИЭТ, 2МИФИ, 3ВНИИНМ
*
МОДИФИКАЦИИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ [#3]
В мире выпускается порядка сотни модификаций ТН. Особенности условий и
холодный климат России требуют необходимых модернизаций ТН. Для массового
производства ТН целесообразно максимально использовать имеющийся опыт и
технологии, российские производства, структуры поддержки и сопровождения ТН
Тепловые насосы (ТН) применимы для любых задач локального
перераспределения тепловой энергии между двумя средами.
Характеристиками ТН являются тепловые энергии нагрева Q1 и
охлаждения Q2 сред с абсолютными температурами T1 и Т2,
потребляемая электроэнергия W, потери P, тепловой коэффициент æ,
холодильный коэффициент ε :
Q2 + W = Q1 + P ;
æ = Q1 / W ; ε = Q2 / W
При обратном цикле Карно (P=0), имеем:
æ0 = Q1 / (Q1–Q2) = T1 / (T1–T2) ; ε0 = Q2 / (Q1–Q2) = T2 / (T1–T2)
На практике циклы ТН отличаются от циклов Карно, циклы необратимы,
потери не малы (P≈W), характеристики зависят от значений температур
сред T1, T2 и особенностей конструкции ТН. При T1–T2 ≈ (50÷35)ºС и T2
= 273ºК имеем æ ≈ ε ≈ 3÷4, т.е. значение æ в 2–2.5 раза меньше æ0.
Уместно отметить, что кпд реального ТН как термодинамической
системы η = Q1 / (Q2 + W) = æ / (ε + 1) составляет (75-80) %, что,
естественно, меньше кпд идеального ТН с циклом Карно (η0 = 100%).
На рисунке показана схема экспериментального исследовательского
стенда и характерные параметры цикла.
26
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
Схема экспериментального стенда
ТН состоит из компрессора 3,
дросселя 4, теплообменников 1 и 2 с
внешними теплым и холодным
контурами. В рабочем контуре –
хладагент, в частности, фреон. В
компрессоре
происходит
квазиобратимое
адиабатическое
сжатие рабочего тела в газовом
состоянии (G). В дросселе имеем
необратимое расширение рабочего
тела в жидком состоянии (L). В
теплообменниках
происходит
фазовый переход G↔L. Кружки –
узлы настроек и регулировок,
треугольники – датчики давлений,
температур, плотностей.
В таблице приведены примерные параметры тепловых насосов
различного назначения. Жирными цифрами помечены опорные
параметры теплового насоса, определяемые условиями эксплуатации.
Типы тепловых насосов
Тепловой насос 0º => 50º,C
Тепловой насос 0º => 35º,C
Кондиционер/Охлаждение
Кондиционер/Обогревание
Холодильный агрегат
Т2
0
0
+20
>5
- 15
Т1
+ 50
+ 35
< 35
+ 20
+ 40
æ
3.0
4.0
3.1
3.1

3.0
3.5
3.0
3.1
~1.0
Компрессор
ротор, порш
ротор, порш
ротор
ротор
порш
Страны
Швеция
Австрия
США
Корея
Россия
Объективный выбор конструкционных особенностей и параметров ТН
определяется решаемой задачей использования ТН, свойствами сред
обмена тепловой энергией, деталями установки ТН, режимом
эксплуатации.
При модернизации конструкций ТН осуществляется оптимизационный
подход с использованием наработок атомной отрасли. ТН конструируется
с использованием имеющихся компрессоров, не подлежащих
оптимизации. Рабочий контур ТН вместе с внешними контурами
составляют единое целое. Максимальное значение æ получается за счет
изменения и подстройки параметров рабочего контура ТН, а также путем
эмуляции параметров контуров 1 и 2 . Параметры ТН удерживаются
стабильными.
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11
27
УДК 001(06) Инновационные проекты, студенческие идеи, проекты, предложения.
Существенный выигрыш связан с использованием компрессоров
массового производства, цена которых невелика, а их хорошее качество
обеспечивает надежность сборки.
В качестве экономически оправданного решения отметим создание
сборок ТН кассетного типа, с параллельным или последовательным
соединением ТН без объединения рабочих контуров. Теплообменники
внешних контуров 1 и 2 остаются общими для всей конструкции. ТН
кассетного типа позволяет удовлетворить широкому спектру требований
конкретных задач (W, T1, T2). Последовательное соединение двух ТН
раздвигает параметры температур Т1 и Т2 (æ конструкции уменьшается).
Параллельное включение позволяет варьировать мощность сборки.
Использование сильфонов делает конструкцию (динамически)
перестраиваемой без ее разгерметизации. При понижении давления в
системе получаем более низкие значения Т2 с понижением значения æ.
Компьютерный тренажер позволяет промоделировать модификации и
работу ТН и вписаться в разумные требования задач использования ТН.
Значительный выигрыш получается за счет автоматизации управления,
исключения пусковых токовых перегрузок, обеспечения равномерного
износа в режиме непрерывной эксплуатации, смены двигателя
компрессора без разгерметизации ТН, выключения компрессии без
выключения
двигателя.
Блок
оборудован
интерфейсом
для
дистанционной диагностики
Предлагаемые модификации позволяют использовать имеющуюся сеть
обслуживания холодильных агрегатов.
E-mail:
osv@for.mephi.ru
28
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 11