Лабораторная работа №7
7.1 Цель работы
Изучение цикла теплового насоса. Определение отопительного коэффициента цикла e. Определение количества низкопотенциальной теплоты Q2, отбираемой у окружающей среды. Определение количества теплоты Q1, передаваемой в систему отопления помещения.
7.2 Общие сведения
Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса.насос теплоснабжение отопление
Тепловой насос − установка, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме теплоты, от низкотемпературного источника теплоты к более «горячему» источнику теплоты – жилому или промышленному помещению.
Введем следующие обозначения:
q 2 – удельная теплота, отбираемая от холодного источника, кДж/кг (низко потенциальная теплота);
q 1 – удельная теплота (теплота, приходящаяся на единицу массы), передаваемая горячему источнику, кДж/кг (теплота, передаваемая в систему отопления помещения);
l цикла – удельная работа, подводимая от внешнего источника, кДж/кг.
Можно записать
; (1)
(2)
где e – коэффициент преобразования или отопительный коэффициент цикла. Этот коэффициент характеризует эффективность цикла теплового насоса.
Рабочий цикл теплового насоса представлен на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Рабочий цикл теплового насоса
Низко потенциальная теплота Q 2 поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в цикле. Источником низко потенциальной теплоты могут быть наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения – углекислота, аммиак, фреоны. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода теплоты Q 2к жидкому хладагенту происходит его превращение в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа l цикла. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают свое тепло Q1 в систему отопления помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низко потенциального источника. Цикл замыкается.
7.3 Экспериментальная установка
Рис. 7.2. Схема экспериментальной установки: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный вентиль; 4 – испаритель; 5 – электродвигатель; 6 – манометры; 7 – хромель-копелевые термопары; 8 – переключатель термопар; 9 – милливольтметр; 10 – барометр; 11 – термометр.
7.4. Порядок выполнения работы
1. Включить установку в сеть.
2. Дождаться выхода работы установки на стационарный режим, о котором свидетельствует неизменность показаний манометров.
3. Измерить при помощи манометров давление за компрессором и за дроссельным вентилем перед испарителем. Результаты занести в табл. 7.1.
4. С помощью барометра измерить атмосферное давление барометром В, Па. Результаты занести в табл. 7.1.
5. Измерить температуру окружающей среды термометром t ОС,°С. Результаты занести в табл. 7.1.
6. При помощи электронных термометров измерить температуры в конденсаторе и испарителе.
7. Выключить установку из сети.
Таблица 7.1
| P1МАН,бар | Р2МАН, бар | В, бар | Р1, бар | Р2, бар | t1, К | t2, К | tОС, °С | t1, °С | t 2, °С |
Рассмотренный цикл теплового насоса в Т, s -диаграмме выглядит следующим образом (рис. 7.3). Координаты Т – абсолютная температура, К;
Удельная энтропия s – термодинамический параметр состояния, кДж/(кг×К).
s =dq/Т (3)
Рис. 7.3. Цикл теплового насоса: 1-2 - адиабатное сжатие хладагента в компрессоре; 2-3 - отвод теплоты из конденсатора в систему отопления помещения (Р 2= соnst, t 2= соnst); 3-4 – дросселирование; 4-1 - подвод низкопотенциальной теплоты из окружающей среды к испарителю (Р 1 = соnst, t 1 = соnst)
В таблице термодинамических свойств хладагента (R134 а) (Приложение 1) параметры на линии кипения (нижней пограничной кривой) обозначены параметрами с одним штрихом; на линии сухого насыщенного пара (верхней пограничной кривой) – с двумя штрихами. Между линиями кипения и сухого насыщенного пара находится область влажного насыщенного пара.
Степень сухости влажного насыщенного пара (х) – отношение массы сухого насыщенного пара к массе влажного насыщенного пара. Значение х изменяется от 0 (кипящая жидкость) до 1 (сухой насыщенный пар).
По полученным значениям температур t 1 и t 2 заполняется таблица 7.2.
Таблица 7.2
| Номер опыта | Параметры Температура | h’,кДж/кг | h’’,кДж/кг | s’,кДж/(кг×К) | s’’, кДж/(кг×К) |
| t1 | |||||
| t2 | |||||
| t1 | |||||
| t2 |
Величина h – удельная энтальпия, s – удельная энтропия - термодинамические параметры состояния.
7.5 Методика расчета
Манометры измеряют избыточное давление (давление, превышающее атмосферное). Абсолютное давление – сумма манометрического (избыточного) и барометрического (атмосферного) давления. Для определения абсолютного давления воспользуемся формулой
Р = В + Рман, (4)
где В – атмосферное давление, измеренное барометром, Па.
Соответственно
Р1 = Р1МАН9,81 ×10 4 + В (5)
Р2 = Р2МАН9,81 ×10 4 + В (6)
Определив температуры t1и t2,и давления Р1 и Р2, воспользуемся таблицей теплофизических свойств R134a (Приложение 1).
Из рис. 7.3 видно, что точка 2 лежит на линии сухого насыщенного пара
h2 = h’’(t2) (7)
s2 = s’’(t2) (8)
Точка 3 лежит на линии кипения
h3 = h’(t2) (9)
s3 = s’(t2) (10)
Процесс 3-4 – дросселирование, h = const, следовательно
h4 = h3 (11)
Для того, чтобы найти параметры в точке 1, надо вначале найти степень сухости в этой точке. Это можно сделать исходя из
s1 = s2 = s’’(t2) (12)
x 1 = 
(13)
Значение х 1 находится в пределах 0,9¸1 (для проверки). Тогда
h1 = h’’(t1)×x1 + h’(t1)(1– x1) (14)
Удельное количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему отопления помещения
q1 = h2– h3 (15)
Удельное количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окружающей среды к испарителю
q2 = h1– h4 (16)
Удельная работа цикла
lцикла = q1–q2 = h2–h1 (17)
В процессе дросселирования работа не производится, поэтому работа цикла равна работе компрессора. Мощность компрессора N = 0,075 кВт.
Расход хладагента
G = N / lцикла (18)
Количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему отопления помещения
Q1 = q1×G (19)
Количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окружающей среды к испарителю:
Q2 = q2×G (20)
Отопительный коэффициент
e = q1 / lцикла (21)
Значение отопительного коэффициента должно быть больше единицы, что показывает, что в систему отопления помещения отдано теплоты больше, чем затрачено работы, в e раз за счет использования низкопотенциальной теплоты наружного воздуха. Это следует отразить в выводах.
7.6 Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Цель лабораторной работы и объект исследования.
2. Устройство и принцип работы теплового насоса.
3. Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепловых насосах?
4. Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее?
5. Могут ли использоваться для теплоснабжения низко потенциальные источники теплоты напрямую без специальных устройств?
6. Является ли целесообразным обогрев помещения с помощью теплового насоса? Если да, то почему?
7. В каком направлении тепловой насос переносит теплоту (от холодного источника к горячему или наоборот)?
8. Что происходит при испарении хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)?
9. Что происходит при конденсации хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)?
10. Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса? Порядок его величины.
11. За счет чего происходит повышение температуры хладагента в тепловом насосе?
12. В какой части установки осуществляется подвод энергии?
13. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.
14. Перечислить величины, измеряемые в лабораторной работе, единицы измерения.
15. С помощью каких приборов проводились измерения?
Приложение 1
Свойства 1,1,1,2-Тетрафторэтана(хладагента R134 а) жидкого и газа на линии насыщения в температурном диапазоне -50/+50°С.
| Т, ОС | Давление насыщен-ных паров в 10ˆ5=да-влению в барах | Удельный объем, м3/кг | Плотность кг/м3 | Удельная энтальпия, | Удельная теплота парообра-зования, кДж/кг газа (r) | Удельная энтропия, кДж/(кг*К) | ||||
| h′ | h″ | s′ | s″ | |||||||
| жид-кости | газа | жид-кости | газа | жид-кости | газа | жид-кости | газа | |||
| -50 | 0,295 | 0,000693 | 0,604615 | 142,547 | 1,654 | 367,3 | 231,3 | 0,742 | 1,779 | |
| -45 | 0,391 | 0,0007 | 0,463457 | 1428,411 | 2,158 | 142,3 | 370,5 | 228,2 | 0,77 | 1,77 |
| -40 | 0,512 | 0,000707 | 0,360036 | 1414,175 | 2,777 | 148,5 | 373,6 | 0,797 | 1,762 | |
| -35 | 0,661 | 0,000714 | 0,28315 | 1399,816 | 3,532 | 154,9 | 376,7 | 221,8 | 0,824 | 1,755 |
| -30 | 0,844 | 0,000722 | 0,22521 | 1385,306 | 4,44 | 161,2 | 379,7 | 218,5 | 0,85 | 1,749 |
| -25 | 1,064 | 0,00073 | 0,180995 | 1370,619 | 5,525 | 167,6 | 382,8 | 215,2 | 0,876 | 1,743 |
| -20 | 1,327 | 0,000738 | 0,146855 | 1355,725 | 6,809 | 385,8 | 211,8 | 0,901 | 1,738 | |
| -15 | 1,638 | 0,000746 | 0,120204 | 1340,593 | 8,319 | 180,4 | 388,8 | 208,4 | 0,927 | 1,734 |
| -10 | 2,004 | 0,000755 | 0,099186 | 1325,19 | 10,082 | 186,9 | 391,7 | 204,8 | 0,951 | 1,73 |
| -5 | 2,431 | 0,000764 | 0,08245 | 1309,479 | 12,129 | 193,4 | 394,6 | 201,2 | 0,976 | 1,726 |
| 2,925 | 0,000773 | 0,069005 | 1293,424 | 14,492 | 397,4 | 197,4 | 1,723 | |||
| 3,492 | 0,000783 | 0,058111 | 1276,98 | 17,209 | 206,6 | 400,2 | 193,6 | 1,024 | 1,72 | |
| 4,141 | 0,000794 | 0,049214 | 1260,104 | 20,32 | 213,3 | 189,6 | 1,048 | 1,717 | ||
| 4,878 | 0,000805 | 0,041893 | 1242,744 | 23,87 | 220,1 | 405,6 | 185,5 | 1,071 | 1,715 | |
| 5,71 | 0,000816 | 0,035827 | 1224,845 | 27,912 | 408,2 | 181,3 | 1,095 | 1,713 | ||
| 6,647 | 0,000829 | 0,030766 | 1206,345 | 32,503 | 233,9 | 410,8 | 176,8 | 1,118 | 1,711 | |
| 7,695 | 0,000842 | 0,026517 | 1187,173 | 37,712 | 413,2 | 172,2 | 1,141 | 1,709 | ||
| 8,863 | 0,000857 | 0,022927 | 1167,25 | 43,617 | 248,1 | 415,6 | 167,4 | 1,164 | 1,707 | |
| 10,159 | 0,000872 | 0,019876 | 1146,481 | 50,313 | 255,4 | 417,8 | 162,4 | 1,187 | 1,706 | |
| 11,594 | 0,000889 | 0,017268 | 1124,757 | 57,911 | 262,9 | 419,9 | 1,21 | 1,704 | ||
| 13,176 | 0,000907 | 0,015026 | 1101,943 | 66,551 | 270,5 | 421,9 | 151,3 | 1,234 | 1,702 |