Термодинамический расчет схем парокомпрессионного теплового насоса

Параметр	Размер­ность	Номер схемы
Температура испарения фреона tи	°С	t и = t н2 – D t и
Энтальпия фреона после испарителя h 1	кДж/кг	Определяется по температуре t и и свойствам насыщенного пара фреона
Давление фреона в испарителе p и	Па	То же
Температура конденсации фреона t к	°С	t к = t в2 +D t к
Энтальпия фреона после конденсатора h 3	кДж/кг	Определяется по свойствам насыщенной жидкости при температуре t к
Давление конденсации фреона p к	Па	То же
Температура фреона на входе в компрессор t 1 a	°С	–	t 1 a = t и + D t п
Энтальпия фреона на входе в компрессор h 1 a	кДж/кг	–	Определяется по свойствам перегретого пара фреона по температуре t 1 а и давлению p и
Энтальпия фреона после адиабатного сжатия h 2 a	кДж/кг	Определяется по свойствам перегретого пара фреона по энтропии S1 и давлению p к	Определяется по свойствам перегретого пара фреона по энтропии S1 а и давлению p к
Адиабатный КПД компрессора h а	–	h а = 0,98
Энтальпия фреона после компрессора h 2	кДж/кг	h 2= h 1 +	h 2= h 1 а +
Теплоемкость фреона после конденсатора c		–	–	Определяется по свойствам насыщенной жидкости и давлению p к
Температура фреона после конденсатора t 3 а	°С	–	–	t 3 а =

Продолжение табл. 17

Параметр	Размер­ность	Номер схемы
Энтальпия фреона на входе в переохладитель h 3 a	кДж/кг	–	–	Определяется по свойствам жидкого фреона по температуре t 3 а и давлению p к
Температура воды после переохладителя t вп	°С	–	–	t вп = t 3 a – D t по
Энтальпия горячего фреона на входе в промежуточный теплообменник h 3 б	кДж/кг	–	h 3 б = h 3 – – (h 1 a – h 1)	h 3 б = h 3 а – (h 1 a – h 1)
Температура горячего фреона после промежуточного теплообменника t 3 б	°С	–	Определяется по свойствам жидкого фреона по энтальпии h 3 б и давлению p к
Энтальпия фреона перед испарителем h 4	кДж/кг	h 4 = h 3	h 4 = h 3б
Удельная тепловая нагрузка испарителя q и	кДж/кг	q и = h 1 – h 4
Удельная тепловая нагрузкакондесатора q к	кДж/кг	q к = h 2 – h 3
Удельная тепловая нагрузкапереохладителя q по	кДж/кг	–	–	q по = h 3 – h 3 а
Удельная тепловая нагрузкатеплового насоса q тн	кДж/кг	q тн = q к	q тн = q к + q по
Удельная тепловая нагрузкапромежуточного теплообменника q пто	кДж/кг	–	q пто = h 1 а – h 1
Работа сжатия в компрессоре l сж	кДж/кг	l сж = h 2 – h 1	l сж = h 2 – h 1 а

Продолжение табл. 17

Параметр	Размер­ность	Номер схемы
Удельная энергия, потребляемая электродвигателем W	кДж/кг	W =
Проверка теплового баланса	–	q и + l сж = q к	q и + l сж = q к + q по
Коэффициент сжатия e	–	e = p к/ p и
Коэффициент преобразования теплоты m	–	m =
Коэффициент преобразования электроэнергии mэ	–	mэ= hэ.м hэ m
Удельный расход первичной энергии ПЭ	–	ПЭ =
Средняя температура низкопотенциального теплоносителя Т ср. н	К	Т ср. н=
Термодинамическая температура низкопотенциального теплоносителя tн	–	tн = 1 –
Эксергия, отданная низкопотенциальным теплоносителем е н	кДж/кг	е н = tн q и
Средняя температура высокопотенциального теплоносителя в кондесаторе Т ср. н	К	Т ср. н=	Т ср. н=
Термодинамическая температура высокопотенциального теплоносителя в конденсаторе tв	–	tв = 1 –

Окончание табл. 17

Параметр	Размер­ность	Номер схемы
Эксергия, полученная высокопотенцильным теплоносителем в конденсаторе е в	кДж/кг	е в = tв q к
Средняя температура высокопотенциального теплоносителя в переохладителе Т ср. нп	К	–	–	Т ср. нп =
Термодинамическая темпе­ратура высокопотенциального теплоносителя в переохладителе tвп	–	–	–	tвп = 1 –
Эксергия, полученная высокопотенциальным теплоносителем в переохладителе е вп	кДж/кг	–	–	е вп = tвп q по
Эксергия потребляемой электроэнергии, е э	кДж/кг	е э = W
Эксергетический КПД hэ	–

 

Расчет работы теплового насоса проводят по трем схемам с использованием различных фреонов. После расчета всех вариантов показатели энергетической эффективности сводятся в табл. 18 и выбирается лучший вариант. Выбор производится по термодинамическим показателям циклов или экономическим показателям ТНУ. Из расчета исключаются варианты, степень сжатия фреона в которых более 17 и не может обеспечиваться имеющимися компрессорами.

Удельная тепловая нагрузка теплового насоса q _тн характеризует расход фреона, а значит, влияет на стоимость компрессора и теплообменников. Степень сжатия в компрессоре определяет его стоимость. Коэффициент преобразования энергии и удельный расход первичной энергии характеризуют экономичность работы теплового насоса. Эксергетический КПД показывает термодинамическое совершенство процессов в тепловом насосе.

 

Таблица 18

Показатели энергетической эффективности
рассчитанных вариантов

Схема	Парокомпрес­сионная ТНУ (схема № 1)	Парокомпрес­сионная ТНУ с регенерацией теплоты (схема № 2)	Парокомпрес­сионная ТНУ с регенерацией теплоты и переохладителем (схема № 3)
Наименование фреонов
Удельная тепловая нагрузка теплового насоса q тн
Удельная энергия, потребляемая электродвигателем W
Степень сжатия в компрессоре e
Коэффициент преобразования теплоты m
Коэффициент преобразования электроэнергии mэ
Удельный расход первичной энергии ПЭ
Эксергетический КПД hэ

 

Таким образом наилучший вариант будет с наибольшим m. Для вариантов с близким m наилучшим будет тот, который обеспечивает наименьшую степень сжатия e и наибольшие эксергетический КПД h_э и удельную тепловую нагрузку q_тн. Весь комплекс этих параметров учитывается в экономическом показателе ТНУ – его сроке окупаемости

t = (С_Т – ТЗ)/КЗ,

где C_Т – стоимость теплоты, получаемой из системы теплоснабжения при отсутствии теплового насоса, руб./год; ТЗ – затраты на эксплуатацию теплового насоса, руб./год; КЗ – стоимость теплового насоса и затраты на его монтаж, руб.

Для выбранной схемы рассчитываются тепловая нагрузка в узлах установки и эксергетический баланс теплонасосной установки.

Тепловая нагрузка теплонасосной установки Q _тн, Вт или кВт, – это количество теплоты, получаемой в установке горячим теплоносителем. Для установок теплоснабжения за счет использования теплоты окружающей среды тепловая нагрузка задается. Если тепловой насос используется для утилизации сбросной теплоты, то тепловая нагрузка определяется по заданному расходу теплоносителя и его температуре:

Q _тн = с _н(t _н1 – t _н2) G _н, Вт,

где с_н – теплоемкость низкопотенциального теплоносителя.

Массовый расход хладагента G _ха, кг/с, определяется по тепловой нагрузке установки (количестве теплоты, получаемой горячим теплоносителем), и удельной тепловой нагрузке:

G _ха =.

Полная нагрузка узлов теплового насоса составит:

– в компрессоре:

N = WG _ха;

– в испарителе:

Q _и = q _и G _ха;

– в конденсаторе:

Q _к = q _к G _ха;

– в переохладителе:

Q _по = q _по G _ха;

– в промежуточном теплообменнике:

Q _пто = q _пто G _х.а.

Оценка эффективности работы узлов теплового насоса производится на основании эксергетического расчета. Удельные эксергетические потери в компрессоре:

– внешние эксергетические потери в компрессоре и электродвигателе, вызванные механическим трением:

D е = (W – l _сж);

– внутренние эксергетические потери в компрессоре, вызванные необратимостью процесса сжатия хладоагента:

D е = T ₀(S ₂ – S _{1 а});

Эксергетические потери в теплообменниках определяются по разности эксергии хладоагента, определяемой по формуле D h – T ₀D S, и эксергии, подведенной или отобранной у теплоносителя, равной t q. Таким образом

– экергетические потери в испарителе:

D е _и = t_н q _и – [(h ₁ – h ₄) – T ₀(S ₁ – S ₄)] = е _н – [ q _и – T ₀(S ₁ – S ₄)];

– эксергетические потери в конденсаторе:

D е _к = [(h ₂ – h ₃) – T ₀(S ₂ – S ₃)] – t_н q _и = [ q _к – T ₀(S ₂ – S ₃)] – е _в;

– эксергетические потери в переохладителе:

D е _по = [(h ₃ – h _{3 а}) – T ₀(S ₃ – S _{3 а})] – t_вп q _по = [ q _по – T ₀(S ₃ – S _{3 а})] – е _вп.

Эксергетические потери в промежуточном теплообменнике определяются по разности отданной эксергии горячим фреоном и полученной эксергии холодным френом. Для схемы без переохладителя они имеют вид:

D е _пто = [(h ₃ – h _{3 б}) – T ₀(S ₃ – S _{3 б})] – [(h _{1 а} – h ₁) – T ₀(S _{1 а} – S ₁)],

или, так как h ₃ – h _{3 б} = h _{1 а} – h ₁,

D е _пто = T ₀(S _{1 а} – S ₁ – S ₃ + S _{3 б}).

Для схемы с переохладителем

D е _пто = T ₀(S_1а – S₁ – S_3а + S_3б).

Энтальпия фреона при дросселировании не изменяется, и эксергетические потери в дросселе:

D е _д = T ₀(S ₄ – S _3б).

Сумма эксергетических потерь в тепловом насосе:

SD е = D е + D е + D е _и + D е _к + D е _по + D е _пто + Dе_д.

Проверка расчета производится по равенству полученных эксергетических потерь и разности эксергии на входе и выходе теплового насоса:

SD е = (е _н + е _э) – (e _в + e _вп).

Для оценки эксергетических потерь в узлах теплового насоса строится диаграмма, на которой в масштабе изображаются потоки эксергии (рис. 20).

 

Рис. 20. Эксергетический баланс теплового насоса

 

Узлы, в которых эксергетические потери наибольшие, требуют совершенствования и повышения эффективности работы.