Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследования термодинамических режимов теплонасосной установки

Плешка М.С., ст. преподаватель

Технический Университет Молдовы (ТУМ), Молдавия

В условиях строжайшей экономии энергетических ресурсов и обострения, экологических тепловые насосы (ТН) находят все более широкое применение в системах кондиционирования микроклимата зданий, начинается их производство, проводятся научно-исследовательские работы по определению оптимальных режимов их работы [1, 2, 3, 4, 6]. Исследования можно проводить на экспериментальной установке или используя метод математического моделирования реальных режимов тепловых насосов на ЭВМ, позволяющий исследовать термодинамические режимы ТН с учетом многообразия факторов влияющих на их работу и выбрать оптимальные намного быстрее и с меньшими затратами, чем экспериментальным путем.

Разработан алгоритм (рис. 1) и составлена программа расчета на ЭВМ тепловых режимов парокомпрессионного водоводяного теплового насоса.

Работа программы основана на подборе параметров, которые при заданных двух из них и конструктивных параметров ТНУ обеспечивают тепловые балансы в испарителе и конденсаторе ТН.

Решение системы нелинейных алгебраических уравнений относительно температуры кипения t₀ и конденсации t_к осуществляется итерационным методом Ньютона.

Исследовались стационарные тепловые режимы водоводяной холодильной машины МКТ-40-2-0 для хладонов R-22, R-12, R-142, R-114.

Исходными данными для расчета являются теплофизические свойства хладонов, теплоносителя и хладоносителя, которые считаются функциями температуры, конструктивных размеров испарителя и конденсатора, типа и производительности компрессора, а также температуры конденсации хладона t_к и теплоносителя низкопотенциального источника (ИНПТ) на входе в испаритель t_жк2. Рассчитывались тепловые режимы ТНУ для различных сочетаний t_к и t_жк2, которые принимали значения в пределах, соответственно, и с шагом 5 С.

Зависимость теплофизических свойств хладонов, хладоносителя (хлористого кальция, раствора этиленгликоля) и воды от температуры получены путем аппроксимации методом наименьших квадратов известных табличных данных [5], соответствующими функциями (удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности - линейной, кинематическая вязкость, скрытая теплота парообразования и энтальпия - квадратной параболой, давление насыщения и удельный объем - степенной). На каждом шаге итерации рассчитываются коэффициенты теплопередачи испарителя и конденсатора, предварительно определяя по известным критериальным зависимостям [6] значения коэффициентов теплообмена со стороны хладона и теплоносителя.

Результаты расчета в виде зависимостей тепловой, холодильной и потребляемой электрической мощностей от температуры низкотемпературного источника на входе в испаритель приведены на рис. 2-7.

Рис. 1 Алгоритм расчета режимов работы теплового насоса

На рис. 2 приведено сравнение результатов расчета с опытными данными для машины МКТ-40-2-2.

Рис. 2. Зависимости холодопроизводительности ТНУ МКТ-40-2-2 Q_ис и потребляемой мощности N_эл от температуры теплоносителя на выходе из испарителя t_жк2 при температуре на входе в конденсатор t_жн3=20 С для хладона R-22

Из рис. 2 видно, что холодопроизводительность машины получается несколько выше опытной. Расхождение увеличивается по мере роста температуры хладоносителя на выходе из испарителя. Причем наибольшие расхождения обнаружены при температуре выше нуля, что для фреона R-22 соответствует довольно высокому давлению испарения. Естественно, что кривая потребляемой мощности проходит ниже опытной. Это все можно объяснить тем, что теоретические формулы для вычисления коэффициентов теплообмена между поверхностями и жидкостью дают более высокие значения, чем в действительности. Тем не менее, графики холодопроизводительности и потребляемой электрической мощности качественно правильно отражают режимы работы машины, поэтому они используются для получения качественных показателей её работы.

Зависимость холодопроизводительности машины от температуры теплоносителя на входе в испаритель при постоянной температуре конденсации t_к=50 С приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость холодопроизводительности ТНУ МКТ-40-2-2 Q_ис от температуры ИНПТ на входе в испаритель t_жк2 и температуры конденсации t_к=50 С для хладонов R-22, R-12, R-114, R-142

На рис. 3 видно, что кривая холодопроизводительности машины, работающей на фреоне R-22, проходит выше кривых остальных фреонов. Аналогичная картина наблюдается на рис. 4, где представлены зависимости теплопроизводительности от температуры теплоносителя на входе в испаритель при постоянной температуре t_к=50 С и на рис. 5, на котором приведены зависимости потребляемой электрической мощности при тех же условиях.

Создается впечатление, что фреон R-22 обладает лучшими теплофизическими свойствами, так как при работе на этом хладоне машина имеет наибольшие тепло- и холодопроизводительности. Однако зависимости коэффициентов преобразования от тех же параметров рис. 6 показывают, что зависимость коэффициента преобразования машины при работе на R-12 в области низкой температуры (<0 C) проходит выше остальных кривых.

Следовательно, с точки зрения затрачиваемой работы на получение единицы теплоты при низкой температуре предпочтительнее фреон R-12. Однако при этом нужно помнить, что для получения той же тепло- и холодопроизводительности, что и при фреоне R-22, нужна большая мощность испарителя, конденсатора и компрессора, что может свести на нет эффективность работы машины. Можно констатировать, что по мере роста температуры носителя низкотемпературной теплоты коэффициент преобразования для фреона R-114 растет быстрее, чем при других фреонах уже при температуры выше 0 С. тепловой насос хладон конденсация

Рис. 4. Зависимости теплопроизводительности ТНУ МКТ-40-2-2 Q_кон от температуры ИНПТ на входе в испаритель t_жк2 и температуры конденсации t_к=50 C для хладонов R-22, R-12, R-114, R-142

Рис. 5. Зависимости потребляемой электрической мощности N_эл ТНУ МКТ-40-2-2 от температуры теплоносителя на входе в испаритель t_жк2 при температуре конденсации t_к=50 C для хладонов R-22, R-12, R-114, R-142 (хладоноситель водный раствор хлористого кальция)

Рис. 6. Зависимость коэффициента преобразования ТНУ МКТ-40-2-2 от температуры теплоносителя на входе в испаритель t_жк2 при температуре конденсации t_к=50 C для хладонов R-22, R-12, R-114, R-142. (хладоноситель водный раствор хлористого кальция)

Аналогичную картину наблюдаем на рис. 7, где представлены зависимости коэффициентов преобразования для различных фреонов от температуры испарения, хотя она несколько отличается от картины, наблюдаемой на рис. 6.

Рис. 7. Зависимость коэффициента преобразования ТНУ МКТ-40-2-2 от температуры кипения при температуре конденсации ТХК=50 C для хладонов R-22, R-12, R-114, R-142

Зависимость коэффициентов преобразования от температуры кипения для фреонов R-12 и R-22 почти совпадают, а в области высокой температуры полностью сливаются. Аналогичная кривая для фреона R-114 во всем диапазоне изменения температуры испарения проходит ниже соответствующей кривой для фреона R-142, но сохраняется тенденция более резкого вырастания с повышением температуры.

Анализируя значения температуры на входе и выходе из конденсатора (t_жн3 и t_жк3) для фреона R-114 видим, что их разность меняется от 0,5 С для низкой температуры испарения и конденсации (t_к=20 С, t₀=-31,85 С) до 2,8 С для высокой температуры испарения и конденсации (t_к=60 и t₀=8,06 С). Эта же разность температуры при работе на фреоне R-22 изменяется в более широких пределах (от 2,8 до 10,6 С) при тех же условиях, что обусловлено более высокой теплопроизводительностью конденсатора. Для получения более высокой разности необходимо уменьшить расход охлаждающей конденсатор жидкости, что в свою очередь для одного и того же конденсатора приведет к уменьшению скорости воды в трубках и, следовательно, к снижению коэффициента поверхностной теплоотдачи, а в результате и к уменьшению коэффициента теплопередачи конденсатора, и, в итоге, к уменьшению коэффициента преобразования теплового насоса.

Анализ полученных результатов режимов работы холодильной машины МКТ-40-2-2 на ЭВМ позволяет сделать следующие выводы.

В области температуры ИНПТ ниже 0 С предпочтение нужно отдавать, как и следовало ожидать, фреонам R-22 и R-12. В области более высокой температуры следует использовать фреоны R-142 и R-114.

Вывод п. 1 требует экономического обоснования, так как увеличение коэффициента преобразования для фреона R-142 и R-114 в области более высокой температуры хотя и приводит к уменьшению потребляемой мощности, но требует увеличения площади теплоотдающей поверхности испарителя, конденсатора и производительности компрессора.

Использование холодильной машины в качестве теплового насоса предполагает внесение некоторых изменений в её конструкцию (уменьшение количества трубок в одном ходу конденсатора, оборудование дополнительными теплообменниками).

Полученные эмпирические зависимости ТНУ могут быть использованы в расчетах при проектировании теплонасосных установок.

Литература

1. Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра. // Холодильная техника. 2000, № 10. - с. 2-6.

2. Бриганти А. Тепловые насосы в жилых помещениях // АВОК. 2001, № 5. - с. 24-30.

3. Васильев Г.П., Шилкин Н.В., Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах // АВОК. 2003, № 2. - с. 52-60.

4. Pleєca M. Solar Heat Pump System with Absorbers for Heating of Swimming Pool water // Offcial proceedings of the 29th Annual National Conference and Trade Show of the Solar Energy Society of Canada. University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada. 23-25 August, 2004. - 6 p.

5. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник. Изд. 3-е. перараб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - 208 с.

6. Теплонасосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий / Плешка М.С., Вырлан П.М., Стратан Ф.И., Булкин С.Г.; Под ред Ф.И. Стратана. - Кишинев: Штиинца, 1990. - 122 с.

Аннотация

Приведены результаты исследования на ЭВМ по разработанной программе стационарных режимов работы теплонасосной установки (ТНУ) для различных хладонов. Получены эмпирические зависимости для определения коэффициента преобразования теплового насоса в зависимости от температуры кипения t₀ и конденсации t_к хладона.

Размещено на Allbest.ru