2. Методические указания по расчету тепловых насосов для
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Утверждено на заседании кафедры теплогазоснабжения 24 декабря 2003 г. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по расчету тепловых насосов для теплоснабжения Ростов-на-Дону 2004 УДК 697.1 (07) Методические указания по расчету тепловых насосов для теплоснабжения. – Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т., 2004. – 19 с. с ил. Излагается теплоснабжения. методика Приводится расчета теплонасосных характеристика рабочих циклов для веществ для теплонасосных циклов. Предназначено для студентов всех форм обучения специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» по дисциплине «Теплогенерирующие установки». Составитель: канд. техн. наук, ассист. О.К. Мазурова Редактор Н.Е. Гладких Темплан 2004 г., поз. 64 ЛР № 020818 от 13.01.99. Подписано в печать 22.03.04. Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л. 1,8. Тираж 50 экз. Заказ 143. Редакционно-издательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162. © Ростовский государственный строительный университет, 2004 3 ВВЕДЕНИЕ В системах теплоснабжения все шире применяются тепловые насосы. Однако для рационального использования недостаточно простой замены нагревательных котлов тепловыми насосами. Для эффективной эксплуатации тепловых насосов необходимо учитывать внутренние условия протекания процесса и внешние условия их применения. 1. НАЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И ОСНОНВЫЕ ПРИНЦИПЫ ИХ РАБОТЫ Тепловые насосы (ТН), или термотрансформаторы, – это экологически чистые компактные фреоновые установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования тепла низкопотенциального источника. В качестве источника низкопотенциального тепла можно использовать промышленные и очищенные бытовые стоки, воду технологических циклов, тепло грунтовых, артезианских, термальных вод, воды естественных водоемов (рек, озер, морей), тепло, получаемое при очистке дымовых газов, и любых других сбросных тепловых потоков. Принцип работы ТН основан на трансформации (передаче) тепла от низкотемпературных источников тепла окружающей среды к высокотемпературному теплопотребителю за счет фазовых превращений рабочих веществ (озонобезопасных хладагентов). Тепловой насос передает внутреннюю энергию от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой. В соответствии со вторым законом термодинамики такой процесс не может происходить самопроизвольно. Для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Процесс передачи 4 энергии происходит в круговом цикле, где рабочим веществом служит хладагент. Энергоносители, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой, называют источниками теплоты. Они отдают тепловую энергию путем теплопроводности, конвекции или излучения. Энергоносители, воспринимающие тепловую энергию путем теплопроводности, конвекции или излучения, называют приемниками теплоты. Энергоноситель – источник теплоты, поступает в испаритель, где испаряется жидкий хладагент. Теплота испарения отбирается от источника теплоты. Пары испаряющегося хладагента всасываются компрессором и сжимаются до высокого давления. При сжатии их температура повышается, что и создает возможность отдачи тепловой энергии теплоприемнику. Пары хладагента поступают в конденсатор, через который протекает энергоноситель, служащий приемником тепла. Его температура ниже температуры паров хладагента при повышенном давлении. При конденсации пара выделяется тепловая энергия, воспринимаемая теплоприемником. Из конденсатора жидкий хладагент через регулирующий вентиль (дроссельный клапан) поступает в испаритель, и цикл замыкается. В регулирующем вентиле высокое давление хладагента снижается до давления в испарителе. Одновременно снижается его температура. На рис.1 показана принципиальная схема действия парокомпрессорного теплового насоса, состоящая из четырех основных элементов любого трансформатора теплоты. 5 Рис. 1 В испаритель 1 поступает вода или воздух (а – вход энергоносителя, в – выход энергоносителя) из низкопотенциального источника тепла. За счет тепла охлаждения этой воды (или воздуха) в испарителе происходит кипение хладагента (процесс изобарический). Пары хладагента поступают в компрессор 2, где происходит их сжатие с повышением температуры и давления (процесс политропный). Затем сжатые пары хладагента поступают в конденсатор 3 и конденсируются под влиянием охлаждающей среды – теплоносителя (процесс изобарический). Вход теплоносителя – с, выход теплоносителя d. Термодинамический цикл теплового насоса завершается дросселированием жидкого хладагента в регулирующем вентиле 4 (дросселе), после которого хладагент со сниженным давлением поступает в испаритель 1 (процесс дросселирования практически изоэнтальпийный). Таким образом с помощью теплового насоса возможна передача тепловой энергии от источника теплоты с низкой температурой к приемнику теплоты с высокой температурой при подводе механической (электрической) энергии для привода компрессора. 6 2. СВОЙСТВА РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВ И ДИАГРАММЫ ИХ СОСТОЯНИЙ Для расчета трансформации теплоты в реальных установках необходимо знать свойства рабочих веществ, их параметры в различных состояниях. Рабочие вещества кипят при атмосферном давлении с низкими (как правило, отрицательными) температурами. Они называются «хладагентами» (русский термин) или фреонами (международный термин) и обозначаются буквой R (от англ. слова Refrigeration – охлаждение) или буквой Н (от англ. слова Heat – нагрев), иногда RН. Применяемые для трансформации теплоты вещества исследованы при различных давлениях и температурах и их параметры помещены в таблицы или представлены на диаграммах. Рабочее вещество (хладагент) для эффективного решения конкретной задачи следует выбирать с учетом следующих основных требований: - температуры кипения и конденсации хладагента, диктуемые внешними условиями, должны быть такими, чтобы степень повышения давления в одной ступени компрессора не превышала 10, т.е. Рконечное < 10, Рначальное - соответствующий указанному условию хладагент должен быть доступен для использования и быть достаточно дешевым. - намечаемое к применению вещество должно отвечать экологическим требованиям и быть безопасным для персонала. По этим условиям оценивают свойства основных хладагентов, применяемых в настоящее время (как правило, фторорганических соединений и аммиака). Прежде всего проверяют применимость выбранного рабочего агента по отсутствию озоноразрушающего действия в атмосфере Земли по показателю 7 ОDР. ОDР – потенциал истощения озонового слоя (ozone depleting potential , от англ. deplete – истощать, исчерпывать). Для сильно разрушающего атмосферу R-11 (фтортрихлорметана СFCl3) этот показатель равен 1. Соединения с ОDР>0,1 запрещены к использованию по Международному (Монреальскому) протоколу. Все хладагенты разделены на 3 группы: - группа А – озоноопасные, вызывают истощение озонового слоя, запрещены к использованию. Эта группа включает хлорфторуглероды и бромфторуглероды, в том числе: R11, R12, R13, R111-R115; - группа B – могут вызывать слабое истощение озонового слоя (ОDР<0,01), разрешены к использованию на ближайшие 30 лет. К этой группе отнесены хлорфторуглеводороды, в том числе: R21, R 22, R31, R131-R133, R141, R142, R151, R221-R225, R231-R235, R241-R244, R251, R252, R271; - группа С – озонобезопасные (ОDР=0). К этой группе отнесены фторуглеводороды и фторуглероды (т.е. хлор в молекулах отсутствует), а именно: R23, R32, R41, R125, R134, R 143. Расчет циклов любых трансформаторов тепла, в том числе и тепловых насосов, очень удобно производить по диаграммам состояний рабочих веществ. Наиболее удобными координатами для потребления циклов тепловых насосов являются два варианта: - диаграмма s-T (энтропия – температура); - диаграмма i (h) – Р (энтальпия-давление). Следует отметить, что возможны варианты обозначений энтальпии – «i» или «h», а по оси ординат могут быть отложены давления в отрезках, пропорциональных не самим давлениям, а логарифмам их величин. Тогда такая диаграмма называется i-lgP или h-lgP. В диаграмме s-T (рис.2) критическая точка часто отсутствует (отрезана вместе с верхушками пограничных линий – и 8 правой, и левой). На рис.2 показаны также изобары, изохоры и изоэнтальпийные линии; средняя часть области влажного пара бывает вырезана (показано на рисунке штрихпунктиром), шкала температур обычно представлена не в кельвинах, а в градусах Цельсия – 0С. Рис. 2 Некоторые из s-T диаграмм вместо значений давлений на линиях изобар имеют шкалу давлений, размещенную внизу под шкалой энтропии. В этом случае для нахождения величины номограммная кривая (рис.3). давления на диаграмму нанесена 9 Рис. 3 Для определения величины давления следует: по заданной линии изобары продвинуться до области насыщения; далее по горизонтали найти точку пересечения с номограммной линией; от этой точки по вертикали прочесть внизу величину давления. На рис.3 показаны два примера: точка А на изобаре в области перегретого пара - выше линии номограммы и точка Д - ниже линии номограммы. На диаграмме i(h)-lgP критическая точка (К) обычно помещается (рис.4); на оси ординат lgP обычно – нелинейный масштаб давлений, на оси энтальпий – шкала линейная. 10 Рис. 4 Изобары в этих координатах – горизонтальные линии в любой области диаграммы. Изотермы в области умеренных давлений практически совпадают с вертикалями, т.е. с изоэнтальпийными линиями. Для некоторых хладагентов при повышенных давлениях изотермы могут быть несколько изогнуты; в области влажного пара изотермы совпадают с изобарами, т.е. горизонтальны. В области перегретого пара изотермы круто уходят вниз. Изоэнтропийные линии – наклонные кривые. Изохоры на рис.4. показаны пунктиром. 3. ТЕПЛОНАСОСНЫЕ ЦИКЛЫ, РАСЧЕТ ИХ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ Для расчета цикла теплового насоса необходимо по заданным внешним условиям - параметрам низкотемпературного источника и уровню подогрева теплоносителя для потребителей выбрать хладагент. Затем построить цикл теплового насоса в диаграмме s-T или i(h)-lgP, используя диаграмму состояния выбранного хладагента. При построении цикла в диаграммах удобно одновременно следить за изменением состояния хладагента по схеме работы установки. Рассмотрим схему и методику расчета одноступенчатых теплонасосных установок. 11 12 На рис. 5 и 6 показаны схема и процесс работы реальной одноступенчатой парожидкостной компрессорной установки на s-T и i(h)-lgP диаграммах. На схеме теплового насоса (рис.6) цифры относятся к различным состояниям хладагента в соответствии с диаграммами, а буквенные обозначения соответствуют следующим деталям установки: - И – испаритель теплового насоса; - Км – компрессор; - К – конденсатор; - ПО – переохладитель или, точнее, охладитель жидкого агента после конденсатора; - РВ – дроссель (часто выполнен как регулирующий вентиль, которым можно, меняя степень дросселирования, изменять давление и, следовательно, температуру кипения в испарителе); - Н – насос, подающий воду, нагретую в конденсаторе, к тепловому потребителю. Показан вход холодной воды в переохладитель, затем вода поступает в конденсатор, после которого подается в бакаккумулятор; - А и Б – низкопотенциальные источники теплоты. По номерам точек на рис. 5 и 6 можно проследить ход всех процессов в теплонасосном цикле. Точка 1 на диаграммах и на схеме соответствует состоянию сухого насыщенного пара, образовавшегося в результате полного испарения жидкой фазы хладагента в испарителе И теплового насоса. Кипение рабочего вещества в испарителе происходит при постоянном давлении Р0 (изобарический процесс) и постоянной температуре t0. Теплота парообразования отбирается от источников А или Б, имеющих невысокую температуру. Давление обычно выбирают близкое к атмосферному. Перегрев пара от точки 1 до точки 2 происходит в трубопроводах, идущих к компрессору Км. Процесс 1-2 – изобара с подъемом температуры до 13 перегрева t2 (на диаграммах обычно температуры наносятся в 0С). Перегрев на 5,10 и более градусов предусматривается в расчете схемы для обеспечения надежной работы компрессора. Далее происходит сжатие в компрессоре (процесс 2-3) по линии, которая в реальном случае может быть названа «политропной». Для определения положения конечной точки 3 после сжатия в реальном компрессоре удобно воспользоваться сначала линией сжатия для идеального компрессора (2-3/), которая представляет собой изоэнтропу (идеальный компрессор сжимает адиабатически с энтропией s2=s3/=const). Линии постоянных энтропий позволяют в любых координатных диаграммах найти точку 3/ на пересечении изоэнтропы 2-3/ с изобарой конденсации Рк. Давление Рк определяется по требуемой температуре нагрева теплоносителя для теплового потребителя. Перейти от точки 3/ к точке 3 помогает индикаторный КПД сжатия реального компрессора ηi. Этот КПД можно рассчитать с достаточной точностью по приблизительной оценке: ηi ≈ Т0 , Тк где Т0 и Тк – соответственно температуры испарения и конденсации, К. В идеальном компрессоре при сжатии энтальпия рабочего вещества изменяется на ∆iид = i3 − i2 , а в действительном компрессоре она возрастает на / ∆iд = ∆iид ηi . Таким образом, энтальпия точки 3: i3 = i2 + ∆iд = i2 + i3 / − i2 ηi = i2 + i3 / − i2 , кДж/кг. T0 Tк Перегретый пар в состоянии 3 подается с достаточно высокой температурой t3 в конденсаторе, где сначала охлаждается по изобаре до сухого насыщенного состояния (точка 3//) и затем конденсируется до жидкого состояния (точка 4), отдавая при этом суммарную тепловую энергию qк. Величина qк равна сумме энергии, полученной при кипении хладагента в 14 испарителе, q0 и энергии, эквивалентной работе сжатия хладагента в реальном компрессоре, lв. Работа сжатия хладагента называется внутренней работой lв и определяется по разнице энтальпий lв=i3-i2. Таким образом, теплота, отданная в конденсаторе хладагентом и полученная теплоносителем, qк = q0 + lв = i3 − i4 , кДж/кг. К этой энергии добавляется и энергия, получаемая теплоносителем от жидкого рабочего агента в охладителе ПО, в котором температура хладагента снижается от температуры конденсации до температуры точки 5. Температура точки 5 определяется в зависимости от температуры воды на входе в ПО. На диаграмме i-lgP точка 5 определится как точка пересечения изотермы t5 с изобарой Рк. В результате, хладагент может передать теплоносителю суммарную теплоту qт.н. q т.н. = qк + q ПО = i3 − i5 , кДж/кг. Сконденсированная и охлажденная жидкость находится под давлением Рк. Для снижения давления до Р0 жидкий хладагент проходит через дроссельный регулирующий вентиль РВ, при этом снижается и температура хладагента. Процесс дросселирования проходит практически адиабатно, поэтому с большой точностью процесс 5-6 считают изоэнтальпийным, т.е. i5=i6=const. Точка 6 находится на пересечении изоэнтальпийной линии (в координатах ilgP это вертикаль) с изобарой Р0. При этом хладагент частично испаряется. В испарителе жидкость кипит с температурой t0 (ниже, чем температура низкопотенциального источника), отбирая теплоту парообразования от теплоотдатчика: q0 = i1 − i6 , кДж/кг. Охладитель рабочего агента ПО нагревает теплоноситель перед подачей в конденсатор, а также обеспечивает большую разность энтальпий точек 1 и 6 15 по сравнению с разностью энтальпий точек 1 и 7 в случае дросселирования без ПО. Расчет цикла теплового насоса нужно выполнять в следующей последовательности: 1. Определить тепловую нагрузку для теплового насоса Qтн или Qв, кВт. 2. Изобразить принципиальную схему теплонасосной установки. 3. Выбрать температурные напоры между греющими и нагревательными средами в конденсаторе и испарителе. Как правило, температурные напоры принимают порядка 3…7 градусов. 4. Выбрать по заданным условиям хладагент. 5. По температуре нагреваемой среды перед охладителем ПО определить температуру охлаждения жидкого рабочего агента (на 3…5 градусов теплее входящей воды) (точка 5). 6. Выбрать температуру перегрева (точка 2) рабочего агента на 5…10 градусов выше температуры t0 (точка 1). 7. Оценить КПД сжатия реального компрессора ηi ≈ Т0 . Тк 8. Нанести все процессы цикла на термодинамическую диаграмму выбранного хладагента (рабочего агента). Построив цикл, определить параметры всех характерных точек и поместить их в таблицу. Номер Давление, точки МПа; бар. Температура Т, К t, 0С Энтальпия, Энтропия, I, кДж/кг S, кДж/кг*К 1 2 9. Определить коэффициент трансформации или преобразования тепла – µ. Этот коэффициент показывает отношение теплопроизводительности теплового насоса к затраченной для этого работе: 16 µ= qт. н . , l где qт.н. – теплопроизводительность теплового насоса, кДж/кг; l –работа, затраченная в тепловом насосе с учетом всех потерь на устройстве привода, кДж/кг, l= lв ηэм , где ηэм – КПД привода, ~0,9. Таким образом µ можно подсчитать, используя параметры из таблицы расчета: µ= В числителе дроби – qт.н. i3 − i5 = ηэм . l i3 − i2 разность энтальпий включает теплоту парообразования q0 и теплоту, эквивалентную внутренней работе компрессора, а в знаменателе – только затраты работы (с учетом ηэм). Таким образом, коэффициент трансформации тепла (иногда его называют коэффициентом тепловой эффективности или коэффициентом преобразования теплового насоса) получается больше единицы, т.е. тепловая эффективность >100%. Однако не следует путать коэффициент трансформации с КПД установки. 10. Определить КПД теплового насоса, или КПД теплонасосного цикла (КПД эксергетический). КПД теплового насоса равен отношению работы, затрачиваемой для производства единицы тепла в идеальной установке (по идеальному обратимому циклу Карно) к затрате работы на то же количество тепла в реальном цикле. Понятие «эксергия» обозначает эквивалент работы, которую можно получить в идеальном прямом цикле Карно. Эксергия для теплового насоса (процесс в обратном цикле) покажет количество затрачиваемой работы в цикле Карно для передачи тепла к теплоприемнику при данных наружных условиях. По определению КПД теплового насоса следует: 17 η т. н. = Эвид , Эт.н. где Эидв – удельная затрата работы в идеальном цикле Карно для передачи единицы тепла «верхнему» источнику. Эт.н. – удельная затрата работы в действительном тепловом насосе. Определим величины Эидв и Эт.н.. На рис.7 Тн и Тв – соответственно температуры «нижнего» и «верхнего» источников. Для теплового насоса – это температура низкопотенциального поставщика тепла к испарителю и температура нагретого в конденсаторе теплоносителя для потребителя. Рис. 7 В s-T координатах цикл Карно представляет собой прямоугольник. В обратном (теплонасосном) цикле теплота, отдаваемая верхнему источнику равна площади Т в ⋅ ∆s , а работа цикла равна площади между температурами Тн и Тв. Таким образом, удельная затрата работы в идеальном цикле: Эвид = l ид (Т в − Т н )∆s Т = = 1− н , qв Т в ⋅ ∆s Тв 18 т.е. удельная работа цикла Карно является функцией только температур верхнего и нижнего источников. Удельный расход работы реального теплового насоса: = i3 − i2 . (i3 − i5 )η' эм удельной работы Эт.н. = Обратная величина l qт. н . является коэффициентом трансформации тепла: 1 q = т. н . = µ . Эт.н. l Таким образом, КПД теплового насоса определяется по формуле: η т. н. Эвид Т Т 1 = = (1 − н ) = (1 − н ) µ . Эт.н. Т в Эт.н. Тв Следует иметь в виду, что температуры нижнего и верхнего источников Тн и Тв соответствуют температурам потоков А или Б и температуре воды после конденсатора. 11. Выбрать мощность электроприводов для компрессоров N э = Эт.н.Qт.н. , где Qт.н. – тепловая нагрузка теплового насоса, кВт; Эт.н. – удельный расход работы реального теплового насоса. Мощность электродвигателя выбирают с запасом на 10…15% от расчетной величины. 12. Определить величину теплообменных поверхностей для испарителей и конденсаторов теплового насоса. 13. Рассчитать эффективность применения теплового насоса. Для этого необходимо связать количество тепла, полученное от теплового насоса, с затратой электрической (механической) энергии для привода компрессора. Полученную теплоту переводят в эквивалентное количество сэкономленного топлива, подсчитывают экономию в ценах на топливо, например, для альтернативной котельной. Затраты на привод теплового насоса 19 подсчитывают, переводя работу электропривода в киловатт-часы и умножая их количество на стоимость единицы электроэнергии. Сопоставление экономии и затрат на этом не завершается, т.к. на альтернативной котельной кроме топлива есть затраты на электроэнергию, персонал и др. эксплуатационные расходы. Если получение альтернативного тепла рассматривать от теплотрассы, то экономическая эффективность теплонасосной установки возрастает. Литература 1. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с. 2. Промышленные фторорганические продукты: Справочное издание/Б.Н. Максимов, В.Г. Баранов, И.Л. Серушкин и др. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб.: Химия, 1996.-544 с. 3. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения: Сборник задач: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1989.-200 с. 4. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат, 1989.-128 с.
