Испытание теплового нacocа для теплоснабжения

Испытание теплового нacocа для теплоснабжения
индивидуального дома
http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=224
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 теплопроизводительностью 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 озонобезопасное 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
Характеристика циклов
Химическая формула
R134a
R22
R22/R142b
Регенеративный с
Регенера- РегенераРегенераБазовый
частичным
тивный тивный
тивный
выкипанием
в РТ
СH 2FСF
CHF 2C 1 СНF 2С 1/С 2Н 3F 2С 1
3
Давление кипения, Р 0,
3,31
МПа
Давление конденсации,
18,9
Рк,МПа
5,7
Отношение давлений
Температура кипения, t
+5
0,°C
Температура
+69
конденсации, tк,°C
Удельная объёмная
теплопроизводительность, 2033,3
qV, кДж/м^3
Удельная работа на
единицу объёма, 1v,
714,3
кДж/м^3
Коэффициент
3,847
преобразования, µ
В % к R134а
100
5,85
3,25
3,32
3,553
29,4
17,85
17,85
17,85-
5,025
5,5
5,376
5,024
+5
сред.+5 сред.+5
+69
сред.+65 Сред.+65 сред.+65
3024
1914,3
2191,15 2199,3
1035,6
598,6
643,7
627,4
3,92
4,196
4,4
4,505
101,89
109,07
114,37
117,1
сред.+5
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
Температура конденсации, tk, °С
Температура теплоносителя на входе в испаритель, ts 1,
2,91
54,55
8,2
°С,
Температура теплоносителя на выходе из конденсатора,
tw 2, °C
Разность температур теплоносителя в конденсаторе,
°C
Расход теплоносителя в конденсаторе, Gк, кг/с
Мощность, потребляемая компрессором, Nэ, Вт
Теплопроизводительность, Qк, Вт
Расход хладагента, Ga, кг\с
Коэффициент преобразования, µ
50,1
tw, 11,97
0,263
3270
13220
0,063
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.