УДК 697.1 (07) АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА

УДК 697.1 (07)
С.К.Абильдинова, К.А.Есеналина
S.K.Abildinova, K.A.Esenalina
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
ANALYSIS OF THE TEMPERATURE REGIME INFLUENCE ON WORK EFFICIENCY
OF THE HEAT PUMP
Бу компрессиялық реверсті жылу сорғының жылу тиімділік көрсеткішінің төменгі
қуатты жылу көзінің температурасына және қолданушыға берілетін ыстық су
температурасына тәуелдігін тәжірибе жүзінде зерттеу қортындылары баяндалған. Жылу
сорғысы моноблокты үш рет түрлендіруші қондырғы құрамына енеді және қондырғы
күрделі когенерация тәртібіне сәйкес жұмыс жасайды. Жылу сорғының компрессоры
механикалық қозғалысқа тікелей іштен жану қозғалтқышы арқылы түседі.
The results of the pilot study show the dependence of the thermal efficiency of reversible
vapor compression heat pump heat from a low potentials source of soil, and consumer hot water.
Heat pump is part of the one-piece tri generation plant operating in the "complex cogeneration"
and has a direct mechanical drive of an internal combustion engine
Рассмотрены результаты экспериментального исследования зависимости
показателя тепловой эффективности парокомпрессионного реверсируемого теплового
насоса от температур источника низкого потенциала и потребителей горячей воды.
Тепловой насос входит в состав моноблочной тригенерационной установки, работающей в
режиме «сложная когенерация» и имеет непосредственный механический привод от
двигателя внутреннего сгорания.
В настоящее время для энергетики очень важно решение двух взаимосвязанных
проблем. Они связаны с экономией топливно-энергетических ресурсов и с уменьшением
загрязнения окружающей среды.
С каждым годом все больше истощаются мировые запасы органического топлива и
резко повышаются затраты на освоение новых месторождений, которые влекут за собой
удорожание энергоносителей.
В условиях крупных городов как Алматы сжигание угля, газа и нефтепродуктов в
маломощных котельных и индивидуальных топочных агрегатах, сопровождается большим
количеством вредных выбросов в атмосферу, и существенно ухудшают экологическую
обстановку.
Одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является
использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии,
и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулированной в грунте, водоемах, воздухе.
Однако периодичность действия и низкий температурный потенциал этих источников не
позволяют использовать их энергию для отопления зданий непосредственно, без
преобразования. В качестве преобразователей тепловой энергии от энергоносителя с низкой
температурой к энергоносителю с более высокой температурой используются тепловые
насосы.
Казахстан имеет весьма благоприятные географические условия для развития
альтернативной энергетики. Обширная территория Казахстана с низкой плотностью
населения, где более 5 тысяч посёлков и большое количество крестьянских хозяйств,
зимовок скота не обеспечены электроэнергией и теплом [1]. Однако, в данное время в
Казахстане применение энергосберегающих теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ)
практически находится на начальном этапе и по оценкам специалистов всего работает
порядка 200 теплонасосных установок (ТНУ).
К перспективным направлениям эффективного использования ТНУ в Республике
Казахстан относится направление утилизации низкотемпературных тепловых отходов
технологических процессов промышленных предприятий (сбросные воды предприятий,
сточные воды, вода из системы оборотного водоснабжения и т.п.) с целью снижения вредных
выбросов в атмосферу и одновременного получения теплоты более высоких параметров.
Теплонасосные установки могут
использовать естественную возобновляемую
низкопотенциальную тепловую энергию отходов производств (вторичную энергию) и
повысить потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при
этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива.
Энергетическая эффективность парокомпрессионного теплового насоса ПТН
характеризуется коэффициентом преобразования энергии КПЭ
Q
Q
(1)
 к  п
Qз N км
где Qк – произведенная теплота;
QЗ  Qкм – мощность в тепловом эквиваленте, или механическая энергия затраченная на
привод компрессора.
КПЭ идеального цикла Карно для парокомпрессионного теплового насоса
 ид
является величиной обратной термическому КПД цикла Карно
Тк
.
(2)
 ид 
Тк  Ти
Значения
 ид представлены на рисунке 1 при разных температурах испарения и
конденсации хладагента. Из рисунка видно, что высок при минимальной разнице между
температурами конденсации и испарения, то есть между температурами горячего и
холодного теплоносителей. Так как парокомпрессионный цикл Карно является обратимым,
коэффициент определяет максимально возможный коэффициент преобразования теплоты
при заданных температурах Т к , Т и . КПЭ реальных тепловых насосов меньше значения  ид .
35
30
25
t0=40 C
20
t0=30 C
t0=20 C
15
t0=10 C
t0=0 C
10
5
0
40
50
60
70
80
90
100
110
Δ
Рисунок 1 – Зависимость КПЭ идеального парокомпрессионного цикла Карно от
температуры испарения Т и и конденсации Т к .
Эффективность работы теплового насоса зависит от ряда параметров и факторов, в
том числе от разности требуемой температуры потребителя (ТП) и температуры холодного
источника (ТНПИТ).
Коэффициент преобразования энергии КПЭ зависит от разности требуемой
температуры потребителя (ТП)
и температуры холодного источника (ТНПИТ),
термодинамических свойств рабочего вещества и степени обратимости цикла, технического
совершенства конструкции теплового насоса. С целью определения экономического и
экологического эффектов применения ТНУ для нужд теплоснабжения при существующем
технологическом уровне производств и способов преобразования энергии авторами [2]
проведены расчетные исследования зависимости КОП от указанных температур. Как
показывают аналитические исследования, коэффициент
зависит только от разности
температур (Тп – Тнпит). Чем меньше эта разность, тем выше этот коэффициент.
Изучение аналитических исследований зависимости КПЭ от указанных температур для
ТНУ, где в качестве хладагента взят аммиак R717 показывают, что при температуре
источника теплоты +10 ºС и температуре нагрева теплоносителя + 60 ºС, коэффициент
преобразования теплонасосной установки достигает величины 2,53.
С увеличением
температуры источника низкопотенциального тепла или с уменьшением температуры,
необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигнуть
величины ≥ 5[3].
Для доказательства достоверности экспериментальных данных полученных на
моноблочной тригенерационной установке МТГУ, описанной нами в [3] была исследована
зависимость КОП от разности температур в конденсаторе и испарителе теплового насоса.
Тригенерационная установка, представленная на рисунке 1, работала в режиме
сложной когенерации электрической и тепловой энергии с включением геотермального
теплового насоса. Этот режим обозначается сокращенно «СКГ».
ДВС – двигатель внутреннего сгорания, дизельный или газопоршневой;
ТО – теплообменник вода/вода системы охлаждения рубашки двигателя;
КУ – котел-утилизатор (газ/вода) тепла выхлопных газов;
ТН-1 – парокомпрессионный реверсируемый тепловой насос с непосредственным
(текстропным) механическим приводом от ДВС;
К – конденсатор; И – испаритель; ЭГ – электрический генератор;
СЭС,СТС – автономная система электро и теплоснабжения потребителя;
ГК- геоколлектор; НПТ- низкопотенциальный источник тепла
Рисунок 1– Техническая структура МТГУ в режиме работы «Сложная когенерация»,
(«СКГ») (одновременное производство электроэнергии и тепла двигателем внутреннего
сгорания и тепловым насосом)
Установка производит электрическую энергию в затребованном количестве.
Образующаяся в ДВС теплота, за вычетом безвозвратных потерь утилизируется в системе
теплоснабжения тем же порядком, как и в простой когенерации.
В режиме «СКГ» предполагается, что количество механической энергии отбираемой на
генерацию электрической энергии меньше максимальной мощности двигателя. Часть
механической энергии затрачивается на привод компрессора теплового насоса (одного или
двух при параллельной работе). Испаритель теплового насоса включен в гидравлический
контур геоколлектора, конденсатор отдает тепло в систему теплоснабжения.
В частном случае электроэнергия не вырабатывается, а вся механическая энергия
двигателя расходуется только на привод компрессоров тепловых насосов.
Для приведения МГТУ в режим сложной когенерации, осуществляются следующие
операции:
– электромуфты тепловых насосов (одного или двух) включены;
– реверсивные клапаны тепловых насосов (одного или двух) включены в направлении
отбора низкопотенциальной теплоты из геоколлектора и отдачи теплоты в систему
теплоснабжения;
– теплообменники КУ, ТО и конденсатор теплового насоса включены в систему
теплоснабжения;
– к шинам генератора (ЭГ) подключена электрическая нагрузка.
В качестве хладагента для теплового насоса был выбран R-134a с нулевым значением
озоноразрушающего потенциала.
Низкопотенциальным источником тепла для теплового насоса выбран геоколлектор,
уложенный в грунте под пятном учебной лабораторий.
Геоколлектор ГК представляет собой грунтовые теплообменники изготовленные из
полиэтиленовых U-образной формы труб (60 шт.) диаметром 14 мм и погружены в грунт
петлями длиной по 3 м. Через теплообменники циркулирует низкотемпературный
теплоноситель. Теплообменники работают в общем циркуляционном контуре.
В качестве низкотемпературного теплоносителя для испарителя теплового насоса был
выбран 30% раствор пропиленгликоля. Температура пропиленгликоля, поступающего из
вспомогательного бака в межтрубное пространство испарителя регулировалась при помощи
регулятора температуры прямого действия и балансировочного вентиля на байпасной
линии.
Основными теплофизическими параметрами теплонасосной установки являются
расходы и температуры жидкостей, циркулирующих в различных контурах. Расходы
теплоносителей поддерживались постоянными.
В экспериментах исследовались зависимости КПЭ от разности температур
потребителя тепла и низкопотенциального источника тепла в разные сезоны времени года.
Температура холодной воды, поступающей на подогрев в конденсатор теплового
насоса, изменяется в интервале от 1 до 26 °С, в то время как температура подогретой воды
должна находиться в более узком диапазоне допустимых температур 50-55 °С.
Температура низкопотенциального источника тепла или пропиленглюколя на входе в
испаритель теплового насоса изменялась в зависимости от сезона в течении дня в летний
период от 9,9 до 12,7°С, в осенний период от 3,1 до 4,5 °С, в зимний период от 7,6 до11,8°С.
Полученные в ходе экспериментов значения коээфициента преобразования находятся в
диапазоне величин 2,75
3,61, что отвечает представлениям об эффективности тепловых
насосов, реализованных на других объектах. Наиболее высокие значения коэффициента
преобразования получены 14 ноября 2012 г., в день, когда тепловой насос работал
практически непрерывно в течение 20 ч, и режимы теплообмена были близки к
стационарным. В этих режимах ошибки измерений, связанные с нестационарностью
теплообмена в условиях замеров с интервалами 10 мин, минимальны. Поэтому
средневзвешенная величина коэффициента преобразования теплового насоса близка к 3,5.
Зависимости КОП от температуры низкопотенциального источника тепла в разные сезоны на
протяжении 2012 года даны в виде графиков на рисунке 3.
а) – в летний период;
б) – в осенний период;
в) – в зимний период.
Рисунок 3 – Зависимость КОП от разности температур потребителя тепла и
низкопотенциального источника
Результаты экспериментального исследования теплового насоса подтверждают следующие
выводы:
1. Технические решения обеспечения теплом системы теплоснабжения здания потребителя
от теплового насоса, использующего низкопотенциальную энергию грунта, расположенного
под пятном здания учебной лаборатории, в том виде, как они реализованы
продемонстрировали работоспособность экспериментальной установки и ее эффективность.
2. Исследована зависимость коэффициента преобразования энергии КПЭ теплового насоса
от разности температур потребителя и низкопотенциального источника, из которой следует
что, чем больше эта разность, тем ниже значения КПЭ.
3. Изменения температуры наружного воздуха в период проведения исследований в
интервале значений от +28 до –15 °С не оказали заметного влияния на величину теплового
потока от грунта, расположенного под пятном здания. В исследованном интервале
температур низкопотенциального источника тепловой насос работал со средней величиной
коэффициента преобразования
3,5.
4. Научная информация, полученная в результате исследования экспериментальной
установки позволяет на ее основе спроектировать и наладить работу автономной системы
теплоснабжения здания с тепловыми насосами, эффективно использующую энергию грунта.
Литература
1. Мукажанов В.Н., Абильдинова С.К.,Васильченко Л.Ю. О перспективах применения
тепловых насосов в рамках программы эффективного использования альтернативных
источников энергии и возовновляемых ресурсов Республики Казахстан. Вестник АИЭС №3.
Алматы: АИЭС, 2008. - с.21-25.
2. Усенко А.Ю., Усенко Ю.И., Адаменко Д.С. Анализ эффективности использования
теплового насоса для снабжения теплом бытовых потребителей. Металлургическая
теплотехника. Выпуск 2 (17), 2010 с.197-202.
3. Абильдинова С.К., Дауренбек Д.Т. Исследование эффективности работы тепловых
насосов с приводом от двигателя внутреннего сгорания.
Тезисы докладов VIII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике г.Екатеринбург: УФУ, 2013г.- с.11.