Пример термодинамического расчета ТНУ

Согласно методике, приведенной в подразделах 2.1–2.3 рассмотрим пример проектирования теплонасосной установки для отопления индивидуального жилого дома. В качестве источника низкопотенциальной теплоты используем грунт. Система отопления – водяной «теплый пол».

Исходные данные для расчета:

– тепловая нагрузка Q _тн............................................................ 3 кВт

– температура низкопотенциального теплоносителя (рассола) на входе в тепловой насос t _н1 5 °С;

– температура низкопотенциального теплоносителя (рассола) после теплового насоса t _н2 –5 °С;

– температура высокопотенциального теплоносителя (горячей воды) на входе в тепловой насос t _в1................................................................................................................... 35 °С;

– температура горячей воды после теплового насоса t _в2 45 °С;

– температура окружающей среды t ₀................................... –10 °С;

– перепады температуры на выходе из теплообменников: испарителя Dt_исп, конденсатора Dt_к, переохладителя Dt_по.................................................................................... 5°С

– температура перегрева пара в промежуточном теплообменнике Dt_п 20 °С.

В качестве хладагента используется фреон R152a, относящийся к озонобезопасным.

Расчет парокомпрессионного теплового насоса (схема № 1)

1. Температура испарения фреона:

t _и = t _н2 – D t _и = –5 – 5 = –10°С.

2. По температуре испарения t _и = –10°С по таблицам термодинамических свойств хладагента R152a в состоянии насыщения (прил. 2) или по p, h -диаграмме (рис. 33) определяются параметры в точке 1 – энтальпия на правой пограничной кривой h '' и давление р:

h ₁ = 500,15 кДж/кг;

p _и = 0,18152 МПа,

точка 1 отмечается на p, h- диаграмме.

Рис. 33. Циклы ТНУ: –схема №1; – схема №2; – схема №3

3. Температура конденсации фреона:

t _к = t _в2 +D t _к = 45 + 5 = 50°С.

4. По температуре конденсации t _к по таблицам термодинамических свойств или по p, h -диаграмме определяются параметры в точке 3 – энтальпия на левой пограничной кривой h ' и давление р:

h ₃ = 290,5 кДж/кг;

p _к = 1,1774 МПа,

точка 3 отмечается на p, h- диаграмме.

5. На p, h- диаграмме на пересечении линии постоянной энтропии S ₁, проходящей через точку 1, и линии изобары p _к, проходящей через точку 3, определятся точка 2а, затем по диаграмме определяется энтальпия в этой точке:

h _{2 а} = 564 кДж/кг.

6. Адиабатный КПД компрессора h _а:

h _а = 0,98 = 0,98 = 0,80.

Энтальпия фреона после сжатия с учетом потерь:

h ₂= h ₁ + = 500,15 + = 580,0 кДж/кг.

По значению энтальпии h ₂= 598,7 кДж/кг и давлению p _к = 1,1774 МПа на диаграмме отмечается точка 2. Температура в этой точке

t ₂ = 81°C.

7. По значению энтальпии h ₃ = h ₄ = 290,5 кДж/кг и давлению p _и = 0,18152 МПа на диаграмме отмечается точка 4.

8. Удельные тепловые нагрузки в узлах теплового насоса:

q _и = h ₁ – h ₄ = 500,15 – 290,5 = 209,65 кДж/кг;

q _к = h ₂ – h ₃ = 580,0 – 290,5 = 289,50 кДж/кг;

l _сж = h ₂ – h ₁ = 580,0 – 500,15 = 79,85 кДж/кг.

Правильность расчета определяется проверкой теплового баланса

209,65 + 79,85 = 289,50 кДж/кг.

Тепловая нагрузка теплового насоса:

q _тн = q _к = 289,50 кДж/кг.

Энергия, потребляемая электродвигателем W:

W = = 79,85 /(0,95·0,8) = 105,07 кДж/кг.

10. Показатели энергетической эффективности теплового насоса:

– коэффициент преобразования теплоты

m = = 289,5/ 79,85 = 3,63;

– коэффициент преобразования электроэнергии:

m_э= h_э.м h_э m = 0,95·0,8·3,63 = 2,76;

– удельный расход первичной энергии·

ПЭ = · = · = 0,95.

Так как ПЭ < 1, то с энергетической точки зрения отопление с использованием теплового насоса выгоднее, чем при сжигании природного топлива, применяемого для производства электроэнергии.

11. Степень повышения давления в компрессоре

e = = 1,1774 / 0,18152 = 6,49.

12. Производится эксергетический расчет схемы:

– средняя логарифмическая температура холодного теплоносителя

Т _{ср. н}= = = 273 К;

– эксергетическая температура низкопотенциального теплоносителя:

t_н = = = 0,0366;

– эксергия е _н, отданная низкопотенциальным теплоносителем в испарителе:

е _н = t_н q _и = 0,0366·209,65 = 7,67 кДж/кг.

 

– средняя логарифмическая температура горячего теплоносителя

Т _{ср. в} = = = 313 К.

– эксергетическая температура высокопотенциального теплоносителя:

t_в = = = 0,160;

– эксергия е _в, полученная высокопотенциальным теплоносителем в конденсаторе:

е _в = 0,160·289,50 = 46,32 кДж/кг,

 

– эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем:

е _э = W = = = 105,07 кДж/кг;

– эксергетический КПД h_э теплового насоса:

h_э = = = = 0,411.

Расчет парокомпрессионного теплового насоса
с регенерацией теплоты (схема № 2) и с регенерацией теплоты и переохладителем (схема № 3)

 

Результаты проведенного выше расчета, а также расчет ТНУ для второй и третей схемы схем представлены в табл. 22.

 

Таблица 22