Методика термодинамического расчета циклов теплового насоса

Целью термодинамического расчета является определение показателей эффективности цикла теплового насоса. В разделе предлагается методика расчета теплонасосных циклов. Исходными данными для расчета являются:

– тепловая нагрузка Q _тн, кВт, или расход низкопотенциального теплоносителя G _н, кг/с;

– температура низкопотенциального теплоносителя (холодной воды, антифриза или рассола) на входе в тепловой насос t _н1, °С;

– температура низкопотенциального теплоносителя (холодной воды, антифриза или рассола) после теплового насоса t _н2, °С;

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

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

– температура окружающей среды t ₀, °С;

– перепады температуры на выходе из теплообменников (обычно 3…5 °С) в испарителе D t _исп, конденсаторе D t _к, переохладителе D t _по (рис. 19);

– температура перегрева пара в промежуточном теплообменнике D t _п, °С.

 

Рис. 19. Температурные схемы теплообменников

Расчет парокомпрессионного теплового насоса (схема № 1)

Схема и расчетный цикл в p, h -диаграмме парокомпрессионного теплового насоса представлены на рис. 6.

Порядок термодинамического расчета схемы следующий.

1. В испарителе теплота от низкопотенциального теплоносителя передается фреону, температура которого должна быть ниже. По температуре t _н2 и температурному перепаду D t _и определяется температура испарения фреона:

t _и = t _н2 – D t _и.

2. По температуре испарения t _и на правой пограничной кривой p, h -диаграммы фреона (или по таблицам термодинамических свойств хладагента в состоянии насыщения) находится точка 1, для которой определяется энтальпия h ₁ и давление испарения p _и.

3. В конденсаторе теплота передается от более горячего фреона к воде. По температуре воды на выходе t _в2 и температурном перепаде D t _к определяется температура конденсации фреона:

t _к = t _в2 +D t _к.

4. По температуре конденсации t _к на правой пограничной кривой (или по таблицам термодинамических свойств хладагента в состоянии насыщения) находится точка 3, для которой определяется энтальпия h ₃ и давление конденсации p _к.

5. На пересечении линии постоянной энтропии S ₁, проходящей через точку 1, и линии изобары p _к, проходящей через точку 3, определятся точка 2а, которая соответствует концу адиабатного сжатия. По диаграмме определяется энтальпия h _{2 а} в точке 2а.

6. Адиабатный КПД компрессора h _а равен

h _а =; отсюда h ₂= h ₁ +.

Адиабатный КПД компрессора может быть рассчитан по выражению

h _а = 0,98.

По значению энтальпии h ₂и давлению p _к определяется точка 2.

7. По значению энтальпии h ₃ = h ₄ и давлению p _и определяется точка 4.

8. Рассчитываются удельные тепловые нагрузки в узлах теплового насоса:

q _и = h ₁ – h ₄; q _к = h ₂ – h ₃; l _сж = h ₂ – h ₁.

Правильность расчета определяется проверкой теплового баланса

q _и + l _сж = q _к.

Дополнительно определяется тепловая нагрузка теплового насоса (теплота, передаваемая на отопление):

q _тн = q _к,

и удельная энергия, потребляемая электродвигателем W:

W =.

10. Определяются показатели энергетической эффективности теплового насоса:

– коэффициент преобразования теплоты

m =;

– коэффициент преобразования электроэнергии:

m_э= h_э.м h_э m;

– удельный расход первичной энергии

ПЭ =.

11. Степень повышения давления в компрессоре

e =.

12. Производится эксергетический расчет схемы:

– эксергия е _н, отданная низкопотенциальным теплоносителем в испарителе:

е _н = t_н q _и,

где t_н – эксергетическая температура низкопотенциального теплоносителя (значение эксергетической температуры должно быть от 0 до 1):

t_н =;

средняя логарифмическая температура холодного теплоносителя

Т _{ср. н}=.

– эксергия е _в, полученная высокопотенциальным теплоносителем в конденсаторе:

е _в = t_в q _к,

где t_в – эксергетическая температура высокопотенциального теплоносителя:

t_в =;

средняя логарифмическая температура горячего теплоносителя

Т _{ср. в} =.

– эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем:

е _э = W =;

– эксергетический КПД h_э теплового насоса определяется по суммарной эксергии входных e _вх и выходных e _вых потоков:

h_э = =.

 

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

Схема и расчетный цикл в p, h -диаграмме теплового насоса представлены на рис. 8. Отличия расчета этой схемы от идеальной – в дополнительном определении точек 1а и 3б. По заданной температуре перегрева D t _п и температуре испарения t _и рассчитывается температура фреона на входе в компрессор

t _{1 a} = t _и + D t _п,

Точка 1а определяется по температуре t _{1 a} и давлению p _и. Для этой точки находится значение энтальпии h _{1 a}.

Уравнение теплового баланса промежуточного теплообменника имеет вид

h ₃ – h _{3 б} = h _{1 a} – h ₁, отсюда h _{3 б} = h ₃ – (h _{1 a} – h ₁).

По значению энтальпии h _{3 б} и давлению p _к определяется точка 4.

Также необходимо не забывать, что точка 2а находится на линии постоянной энтропии, проходящей через точку 1а, а не 1.

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

Схема и расчетный цикл в p, h -диаграмме теплового насоса представлены на рис. 9. В этой схеме дополнительно к рассмотренным выше расчетам необходимо найти точку 3а и определить температуру нагреваемой воды t _вп между переохладителем и конденсатором. Согласно заданному температурному перепаду в переохладителе D t _по на выходе из него должно выполняться условие

D t _по = t _{3 a} – t _вп,

где t _вп – температура нагреваемой воды между переохладителем и конденсатором.

Тепловой баланс переохладителя имеет следующий вид:

с _в(t _вп – t _в1) = c (t _к – t _{3 а} ),

где с_в – теплоемкость воды; c – теплоемкость фреона.

Таким образом температура фреона после конденсатора

t _{3 а} =,

по которой затем определяется температура t _вп.

Порядок расчета ТНУ с учетом вышеизложенной методики для трех схем представлена в табл. 17.

Таблица 17