Расчет эффективности парокомпрессионного теплового насоса

 

Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов направления подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование»

 

Санкт-Петербург

Цели расчетно-графической работы:

1)Освоение методики расчета эффективности термодинамических циклов парокомпрессионного теплового насоса (ПКТН) с одноступенчатым сжатием однокомпонентного рабочего тела.

 

2)Определение тепловых нагрузок основных элементов теплового насоса.

 

3)Сравнительный анализ энергетической эффективности теплового насоса и теплонасосной установки.

 

Схема теплонасосной установки и расчетный термодинамический цикл ПКТН.

Наибольшее распространение среди парокомпрессионных тепловых насосов (ПКТН) получили машины, в которых реализуется обратный термодинамический цикл (см. рис.1-3). Представленная на рис.1 принципиальная схема включает в себя все основные элементы не только ПКТН, но и некоторых схемных решений парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), что позволяет в процессе термодинамического анализа выявить принципиальные различия между этими типами технических систем. Более сложные схемы и циклы ПКТН базируются на представленных основных структурных элементах и термодинамических процессах.

 

В испарителе И осуществляется при постоянном давлении и температуре кипения РТ при подводе теплоты от низкопотенциального источника тепла (процесс 7-1 на рис. 2 и 3). Насыщенный пар РТ при давлении перегревается (процесс 1-2) в ТР обратным потоком жидкого РТ, поступающего . Перегретый пар с температурой поступает на вход компрессора КМ, в котором производится его сжатие (процесс 2-3) до конечного давления с повышением температуры до . Компримированный пар с параметрами перегретого пара (точка 3) поступает в конденсатор К, где сначала происходит его охлаждение (процесс 3-4*) из состояния перегретого пара до состояния насыщения (точка 4*), а затем конденсация (процесс 4*-4) при постоянном давлении и температуре . Из конденсатора К конденсат РТ направляется в охладитель конденсата ОК, где производится отвод тепла теплоносителю внешнего теплоприемника (процесс 4-5) с понижением температуры от до . Дальнейшее охлаждение РТ до температуры производится в ТР обратным потоком пара, поступающим из испарителя И в компрессор КМ. Цикл завершается процессом дросселирования (процесс 6-7) жидкого РТ в дроссельном устройстве ДР от давления до давления в испарителе с понижением его температуры в процессе изоэнтальпийного расширения с до температуры = в испарителе.

В процессе реализации замкнутого термодинамического цикла к РТ в испарителе И подводится тепловая энергия от теплоотдатчика (низкопотенциального источника тепла) с охлаждением его теплоносителя с температуры до . Также к РТ через приводное устройство в компрессоре подводится в процессе сжатия механическая энергия (эксергия). При этом мы не конкретизируем, из какого исходного вида энергии (электрическая, тепловая и др.) получена механическая энергия на валу компрессора. Отвод полезного тепла к внешнему потребителю осуществляется в конденсаторе К при нагреве теплоносителя внешнего теплоприемника с температуры до . В общем случае дополнительное тепло от РТ полезно отводится в охладителе конденсата ОК какому-либо внешнему потребителю за счет нагрева теплоносителя теплоприемника температуры до . При использовании ПКТН в системах теплоснабжения потребителями тепловой энергии обычно являются системы отопления (СО) и горячего водоснабжения (ГВС). Как правило, для отопления используется тепло, выделяемое в конденсаторе, а для нагрева воды на нужды ГВС – тепло охлаждения конденсата РТ. При отсутствии потребности в ГВС для целей отопления используется также незначительная часть тепла от охлаждения конденсата РТ; в этом случае теплоноситель системы отопления последовательно или параллельно проходит через охладитель конденсата ОК и конденсатор К. Аналогичным образом ПКТН могут быть использованы в различного рода производственных технологиях.

Термодинамический и тепловой расчет парокомпрессионного теплового насоса.

1. Термодинамический расчет цикла.

Температура насыщенного пара рабочего тела на выходе из испарителя:

(1)

Температура конденсации рабочего тела:

(2)

Температуру перегретого пара РТ на входе в компрессор определим как:

(3)

Где – температурный коэффициент регенерации тепла в регенеративном теплообменнике. Его расчетное значение близко к реализуемым на практике значениям.

Степень сжатия рабочего тела в компрессоре:

(4)

Здесь - соответственно равновесные давления конденсации и испарения РТ при температурах и .

Индикаторный КПД поршневого неохлаждаемого компрессора можно определить по формуле:

(5)

Где: и - удельные адиабатная и действительная работы сжатия; - энтальпии рабочего тела после при адиабатном сжатии, при реальном сжатии и перед компрессором соответственно; – коэффициент полноты индикаторной диаграммы; – коэффициент подачи компрессора.

Коэффициент подачи можно определить как:

(6)

Где: - объемный коэффициент, учитывающий влияние вредного пространств; – коэффициент подогрева, учитывающий снижение объемной производительности компрессора из-за подогрева пара и испарения жидкости; – коэффициент плотности, учитывающий снижение производительности компрессора из-за перетекания РТ из пространства с более высоким давлением в пространство меньшим давлением. Для машин, работающих со смазкой можно принять =0,95…0,98.

Значение объемного коэффициента можно определить как:

(7)

Для неохлаждаемых компрессоров показатель политропы =1,0, а также:

(8)

С учетом того, что , а , их произведение и можно легко определить на основании вышеприведенных формул значения индикаторного КПД компрессора и коэффициент подачи .

Определим основные параметры состояния РТ в характерных точках термодинамического цикла (см. рис.1-3), используя данные программы расчета термодинамических свойств хладагентов [2]:

Точка1: .

Точка 2: .

Точка 3^*: .

Точка 3. Процесс реального сжатия в компрессоре (процесс 2-3) отклоняется от адиабатного (процесс 2-3^*), что приводит к увеличению затрат работы в цикле. Параметры в конечной точке сжатия при условии можно определить через , который характеризует степень отклонения реального процесса сжатия от изоэнтропного:

(9)

По и находим ; ;

Точка 4^* : В этой точке завершается процесс 3-4^* охлаждения компримированных паров РТ до состояния насыщенных () в ⁰К при температуре и давлении , для которых известны значения

Точка 4:

Давление РТ по ходу движения РТ вследствие несжимаемости жидкости от К до ДР считаем неизменным . Наличие ОК и ТР, в которых происходит охлаждение конденсата РТ (процессы 4-5 и 5-6) перед процессом дросселирования (процесс 6-7), требует введения дополнительных условий, определяющих их совместную работу в составе ПКТН. На основании теплового баланса:

(10)

можно определить , если известно значение . В качестве дополнительного условия, позволяющего связать режимы работы охладителя конденсата и регенеративного теплообменника, примем следующее:

(11)

Использование которого совместно с (10) позволяет определить искомое значение энтальпий и :

(12)

(13)

Точка 5:

Точка 6:

Точка 7:

Здесь: - долевое содержание насыщенного пара после дросселирования.

Точка 8:

2. Расчет удельных тепловых нагрузок.

Представление о тепловых нагрузках дает диаграмма « » на рис.3, где они представлены в виде соответствующих отрезков прямых линий, отражающих основные термодинамические процессы.

Удельная внутренняя работа компрессора КМ:

(14)

Удельная теплопроизводительность конденсатора К:

(15)

Удельная тепловая нагрузка испарителя И:

(16)

 

 

Удельная тепловая нагрузка охладителя конденсата ОК:

(17)

 

Удельная тепловая нагрузка регенеративного теплообменника TP:

(18)

Проверим тепловой баланс:

(19)

3. Определение тепловых нагрузок.

Действительная объемная производительность компрессора КМ на расчетном режиме:

(20)

Массовый расход РТ:

(21)

Тепловая нагрузка испарителя И:

(22)

Теплопроизводительность конденсатора К:

(23)

Тепловая нагрузка охладителя конденсатора ОК:

(24)

Тепловая нагрузка регенеративного теплообменника РТ:

(25)

Электрическая мощность электропривода ПР:

(26)

4. Определение расходов теплоносителей внешних теплоприемников и теплодатчиков.

Массовый расход нагреваемой в конденсаторе воды:

(27)

Где - средняя изобарная теплоемкость при .

Массовый расход нагреваемой в охладителе конденсата воды:

(28)

где - средняя изобарная теплоемкость при .

Массовый расход теплоносителя низкопотенциального источника тепла, проходящего через испаритель теплового насоса:

(29)

где - средняя изобарная теплоемкость при .

Определение и анализ эффективности парокомпрессионного теплового насоса и теплонасосной установки.

1. Расчет коэффициентов преобразования.

 

Коэффициент преобразования - это отношение отпущенной потребителю тепловой энергии к затратам энергии на приводные устройства.

Различают коэффициенты преобразования теплового собственно теплового насоса и коэффициент преобразования теплонасосной установки (ТНУ) на базе теплового насоса.

 

Коэффициент преобразования теплового насоса можно определить как:

 

(30)

(30a)

Коэффициент преобразования ТНУ меньше, чем у теплового насоса, т.к. учитывает дополнительные затраты энергии на прокачку теплоносителей систем низкопотенциального источника тепла , систем отопления и горячего водоснабжения через элементы теплового насоса и внешние приборы и оборудование, а также непредвиденные энергозатраты ТНУ:

(31)

Расчет энергозатрат насосов для жидких теплоносителей или вентиляторов газовых на их прокачку можно определить на основании соотношения:

(32)

где: – перепад давления на входе и выходе из насоса или вентилятора; G – массовый расход теплоносителя; - плотность теплоносителя; W – объемный расход теплоносителя; η – КПД насоса или вентилятора.