Оценка показателей работы теплового насоса с вихревой трубой

Исследование и анализ эффективности использования вихревой трубы в тепловом насосе на диоксиде углерода. Характеристика особенностей предлагаемой гидравлической схемы, которая сравнивается с известными тепловыми насосами, использующими эжекторы.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 02.02.2019
Размер файла 63,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт энергетики Академии Наук Молдовы

Институт "ELIRI"

Институт энергетики Академии Наук Молдовы

Оценка показателей работы теплового насоса с вихревой трубой

Шит Михаил Львович - к.т.н., зав. Лабораторией «Энергетической эффективности и систем управления». E-mail: mihail_sheet@yahoo.com

Иойшер Анатолий Матусович - к.т.н., зав. лабораторией Микропроводов и нитевидных наноструктур. E-mail: amyosher@gmail.com

Шит Борис Михайлович - инженер-программист. E-mail:boris@fld.rambler.ru

Кишинев

Аннотация

Проведен анализ эффективности использования вихревой трубы в тепловом насосе на диоксиде углерода. Тепловой насос предназначен для одновременной выработки теплоты на одном температурном уровне и холода на двух температурных уровнях. Предлагаемая гидравлическая схема сравнивается с известными тепловыми насосами, использующими эжекторы. На конкретном примере показано, что схема с вихревой трубой имеет больший коэффициент тепловой эффективности.

Ключевые слова: тепловой насос, диоксид углерода, вихревая труба, энергетическая эффективность.

Rezumat

ESTIMAREA INDICILOR DE FUNCЮIONARE A POMPEI DE CГLDURГ CU TUBUL DE VВRTEJURI

Єit M.L., (Institutul de Energeticг al AЄM), Ioiєer A.M. (Institutul de Cercetгri Єtiinюifice "ELIRI"),

Єit B.M. (Institutul de Energeticг al AЄM)

Este efectuatг analiza eficacitгюii de utilizare a tubului de vвrtejuri оn pompa de cгldurг cu dioxid de carbon оn calitate de agent frigorific. Pompa de cгldurг este destinatг spre producerea simultanг a cгldurii la un nivel de temperaturг єi frigului pe douг nivele de temperaturг. Schema propusг este comparatг cu pompa de cгldurг, care utilizeazг ejectori. La un exemplu concret este demonstratг, cг schema cu tub de vвrtejuri are coeficientul de performanюг termicг mai mare decоt cea cu ejectoare.

Cuvinte-cheie: pompa de cгldurг, tub de vвrtejuri, dioxid de carbon, eficienюг energeticг.

Abstract

ESTIMATION OF INDICES OF QUALITY OF WORK OF HEAT PUMP WITH VORTEX TUBE

Sit M.L. (Institute of Power Engineering of the ASM), Ioisher A.M. (Research Institute "ELIRI"),

Sit B.M. (Institute of Power Engineering of the ASM)

It is performed analisys of the use of efficiency of the use of vortex tube in heat pump with carbon dioxide as the refrigerant. Heat pump is desinated for parallel production of of heat on one temperature level and cold on two temperature levels. Scheme is compared with heat pump in which ejectors are used. It is demonstrated on the exemple that scheme with the vortex tube has COP increased comparitive with those with ejectors.

Keywords: heat pump, carbon dioxide, vortex tube, energy efficiency.

Условные обозначения

Обозначение

Наименование и единица измерения

Массовый расход среды на выходе холодного потока из вихревой трубы (ВТ), кг/с.

Массовый расход среды на входе потока в ВТ, кг/с.

Температура горячего потока на выходе из вихревой трубы, К.

Температура холодного потока на выходе из вихревой трубы, К.

Температура потока на входе в вихревую трубу, К.

Тепловая мощность холодного потока на выходе из вихревой трубы, Вт

Мощность потока на входе в вихревую трубу, Вт

Удельная энтальпия потока на входе в вихревую трубу, Дж/кг.

Удельная энтальпия потока на выходе из вихревой трубы, Дж/кг.

Удельная газовая постоянная, Дж/(кг К).

Давление на входе в вихревую трубу, МПа.

Давление холодного потока на выходе из вихревой трубы, МПа.

Введение

По вопросам разработки и моделирования работы тепловых насосов с вихревой трубой имеется ограниченное количество публикаций [1,2,3,4]. В работах [1,2] предложены две схемы тепловых насосов, которые в дальнейшем были исследованы в [3,4]. В них проведено сравнение между собой схем [1] и [2] с учетом первого и второго законов термодинамики, причем в работе [3] отмечено, что использование вихревой трубы по схеме, описанной в [2] более эффективно, чем по схеме, указанной в [1]. Вопросы исследования схемы теплового насоса на диоксиде углерода с двумя испарителями, работающими на разных температурных уровнях до настоящего времени не рассматривались.

1. Некоторые вопросы анализа тепловой схемы

Для анализа возможных показателей качества работы вихревой трубы на диоксиде углерода используем результаты работ [5,6]. В [5], со ссылкой на экспериментально полученные данные, отмечается, что температурные эффекты охлаждения (отношения разностей температур на холодном выходе и входе вихревой трубы) диоксида углерода и метана по отношению к продувке воздухом составляют 0,79 и 0,82 соответственно. В работе [6] для некоторых параметров вихревой трубы показано, что перепад температур на "холодном" конце вихревой трубы по отношению ко входной температуре при работе на диоксиде углерода на 16-20% меньше, чем при работе на метане. Аналогичный результат представлен в [7] со ссылкой на опыты В.П. Алексеева и В.С. Мартыновского за 1957 г.

Так как значения падений температур на холодном конце вихревой трубы для метана и диоксида углерода являются достаточно близкими, то в качестве «первого приближения» при оценке работы вихревой трубы на диоксиде углерода используем результаты продувки или эксплуатации вихревой трубы на метане [6,7,11]. В работе [8] выведено уравнение, позволяющее прогнозировать работу вихревой трубы на метане, зная ее показатели при работе на воздухе. Для этого в [8] введен параметр

(1)

где константа Больцмана (Дж/К); критическая температура (К); потенциал Леннарда-Джонса (минимальная потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия (Дж)). Интересующие нас свойства метана и диоксида углерода представлены в таблице 1.

Таблица 1. Некоторые тепловые характеристики метана и диоксида углерода

Газ

Метан (СН4)

148,6 [5,9]

190,66

1,28

Диоксид углерода (СО2)

154,3 [5];

195,2 [9];

[10]

304,2

1,56

2,39…1,99

(T=200…350)

Рассмотрим вопрос об эффективности вихревой трубы.

Обозначим долю массового расхода холодного потока по отношению к массовому расходу входного потока.

(2)

Коэффициент тепловой эффективности вихревой трубы () определяется соотношением: насос гидравлический тепловой

(3)

где, - тепловая мощность холодного потока на выходе из вихревой трубы:

.(4)

Для вихревой трубы входная мощность:

,(5)

где, мощность насоса или нагнетателя. Определим СОР теплового насоса с вихревой трубой, как отношение суммы мощностей компрессора и насоса к тепловой мощности, отдаваемой тепловым насосом в нагрузку.

Рассмотрим схему теплового насоса на диоксиде углерода, предназначенного для выработки теплоты и холода на двух температурных уровнях (рис.1).

Тепловой насос состоит из компрессора 1, эжекторов 2 и 7, газоохладителя 3, регулирующих клапанов 4, 10, 12, насоса 5, вихревой трубы 6, второго испарителя 11, теплообменника 9. На схеме обозначены линией 1 поток нагреваемой среды, линией 2 и 3 потоки охлаждаемых сред (рекуперативный теплообменник одна часть которого установлена перед компрессором, в вторая после газоохладителя на схеме не показан). Горячий поток после вихревой трубы обозначен "Н", холодный поток газа "G", холодный поток жидкости "F". Схема работает следующим образом: в контуре, образованном компрессором 1, газоохладителем 3, регулирующим клапаном 4, эжекторами 2 и 7, испарителем 8 происходит выработка теплоты и холода на первом температурном уровне. Этот уровень определяется регулирующим клапаном 4 и режимами работы эжекторов 2 и 7. Насос 5 служит для дозирования расхода в контур второго испарителя 11. Давление после вихревой трубы 6 определяется регулирующими клапанами 10 и 12.

Эти же клапаны определяют режимы работы эжекторов и испарителя 8.

Расчет по приведенным соотношениям показывает более высокую эффективность предлагаемой схемы теплового насоса на диоксиде углерода по сравнению с известными.

Рассмотрим конкретный пример режима работы теплового насоса, когда необходимо получить температуру рабочего тела после газоохладителя равную 70оС, при давлении 7,4 МПа, температуру первого испарителя равную 10оС, при давлении 4,6 МПа, температуру второго испарителя, равную -7оС при давлении рабочего тела 2,88 МПа. Начальная температура нагреваемой среды 15...20оС. Проведенные расчеты показывают, что при коэффициенте эжекции эжектора 7 равном 0,8 и давлении эжектирующего потока на входе в эжектор 7 равном7,0 МПа, давлении на эжектирующем входе эжектора равном 2,5 МПа давление на выходе эжектора 7 будет равным 4,5 МПа. Тогда давление на выходе эжектора два при коэффициенте эжекции 0,1 будет равно 4,0 МПа. Температура рабочего тела на выходе теплообменника 9 может быть обеспечена соответствующим подбором расходов через теплообменник (например, путем байпасирования потока нагреваемой среды вокруг теплообменника). Температура рабочего тела на входе компрессора может быть подобрана равной 20оС. При этом условии СОР теплового насоса будет равным 5,8. При работе газоохладителя можно обеспечить температуру газа после газоохладителя 22-23оС. Рассмотрим возможность снижения температуры с помощью вихревой трубы, когда отношение давлений на входе и выходе будет равно 2,4. По аналогии с [11] температуру рабочего тела после вихревой трубы можно снизить на 16-18оС, что подтверждает возможность работы в требуемом диапазоне температур второго испарителя.

При работе теплового насоса с двумя эжекторами [12] СОР будет равен 4. При прокачке рабочего тела в жидком состоянии насосом 5 мощность насоса не превысит 10% от мощности компрессора.

Рис.1. Схема теплового насоса

Выводы

1. При использовании вихревой трубы в схеме теплового насоса на диоксиде углерода с двумя испарителями, работающими на разных температурных уровнях можно получить СОР выше, чем при типовой схеме включения испарителей.

2. Схема теплового насоса с вихревой трубой имеет меньше комплектующих по сравнению со схемой с двумя эжекторами.

Литература

1. Keller J., Gцbel M. Die thermodrossel: eine anlage zur entspannung komprimierten flussigkeiten unter wдrmeabgabe. Ki Luft und Kдltetechnik 2 (1997), 57-60.

2. Maurer T. Patent DE 197 48 083 A1, Entspannungeinrichtung, 1999.

3. Chengming Gao Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube. Technische Universiteit Eindhoven, Thesis 2005, 159 pp. ISBN 90-386-2361-5. http:// alexandria.tue.nl/extra2/200513271.pdf. (последнее посещение сайта 02.12.2011).

4. Sarkar J. Cycle parameter optimization of vortex tube expansion transcritical CO2 system. International Journal of Thermal Sciences 48(2009) 1823-1828.

5. Чижиков Ю.В. О зависимости величины эффекта Ранка от физической природы рабочего тела. Известия Академии Наук РФ «Энергетика», №2, 1997, с.130-133.

6. Алексеев В.П., Мартыновский В.С. Эффект вихревого температурного разделения перегретых паров и опытная проверка гипотезы Хилша - Фультона. Известия АН СССР, ОТН, №1, 1956, с.71-79.

7. Yilmaz M., Kaya M., Karagoz S., Erdogan S A review on design criteria for vortex tubes. Heat Mass Transfer (2009) 45:613-632. DOI 10.1007/s00231-008-0447-8.

8. Шайкина А.А. Разработка системы критериальных уравнений расчета процесса энергоразделения вихревых малоразмерных труб. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Рыбинск, 2010. 16 c.

9. [9] Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Ленинград, Химия, 1982, 591 с.

10. Churakov S.V., Gottschalk M. Perturbation theory based equation of state for polar molecular ?uids: I. Pure ?uids. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 67, No. 13, pp. 2397-2414, 2003.

11. Бетлинский В., Жидков М., Овчинников В., Жидков Д. Экспериментальное исследование термодинамической эффективности регулируемой вихревой трубы на природном газе. "Нефтегазовые технологии", №2, 2008, с.2-6.

12. Шит М.Л., Балануцэ А.П., Шит Б.М. " Промышленная теплонасосная установка на диоксиде углерода с испарителями, работающими на различных температурных уровнях и при переменной нагрузке". Problemele Energeticii Regionale, №2, 2010, с. 47-58. http:// ieasm. webart.md/data/m71_2_134.doc.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Целесообразность применения вихревой трубы в различных технологиях. Принцип действия предлагаемой установки. Определение оптимальных режимов работы схемы. Расчет потребного количества сжатого воздуха. Расчет эксергии потоков в элементах схемы термостата.

    курсовая работа [513,7 K], добавлен 16.10.2010

  • Принцип действия, устройство, схема вихревого насоса, его характеристики. Рабочее колесо вихревого насоса. Движение жидкости в проточных каналах. Способность к сухому всасыванию. Напор и характеристики вихревых насосов. Гидравлическая радиальная сила.

    презентация [168,5 K], добавлен 14.10.2013

  • Исследование и разработка электропривода вихревого, предназначенного для подачи воды из скважины потребителям и совершающего работу по заданному циклу. Определение его эквивалентной мощности. Выбор пусковой, защитной аппаратуры и аппаратов коммутации.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 17.05.2015

  • Условия работы бурового насоса; характеристика его приводной и гидравлической частей. Проведение расчетов штока, клапанов и гидравлической коробки устройства. Мероприятия по повышению надежности работы насосно-циркуляционного комплекса буровой установки.

    курсовая работа [3,5 M], добавлен 05.02.2012

  • Затраты на отопление и теплоснабжение, выбор между централизованным и автономным видом отопления. Фактические данные по расходу электроэнергии на отопление тепловыми гидродинамическими насосами. Принцип работы и преимущества гидродинамического насоса.

    статья [568,6 K], добавлен 26.11.2009

  • Установка в вентиляционную систему вихревой трубы с целью улучшения качества кондиционирования машинного отделения на судне. Основные технические характеристики судна. Принцип действия систем вентиляции. Расчет себестоимости изготовления воздуховодов.

    курсовая работа [849,1 K], добавлен 16.10.2013

  • Описание видов холодильной техники и принципов работы. Рассмотрение требований к хранению и замораживанию. Разработка структурной схемы рефрижераторной установки, определение тепловой мощности, расчет вихревого охладителя. Обзор рынка авторефрижераторов.

    дипломная работа [3,9 M], добавлен 02.08.2015

  • Определение рабочих параметров гидравлической сети с насосной системой подачи жидкости. Исследование эффективности дроссельного и частотного способов регулирования подачи и напора. Расчет диаметра всасывающего, напорного трубопровода и глубины всасывания.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 01.12.2013

  • Применение многоступенчатой системы регулирования отпуска теплоты в системах теплоснабжения с разнородными тепловыми нагрузками. Подбор оборудования теплового пункта, смесительного насоса системы отопления и регулирующих клапанов с электроприводом.

    курсовая работа [2,1 M], добавлен 29.05.2022

  • Выбор экономичных диаметров трубопроводов. Определение потребных напоров отдельных участков и системы. Построение напорных характеристик участков. Подбор центробежного насоса для совместной работы насоса и сети. Определение допустимой высоты всасывания.

    контрольная работа [67,8 K], добавлен 09.07.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.