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.