Теплові насоси

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Розрахунок компресійного теплового насосу

Розрахувати схему одноступінчастого парокомпресійного теплового насосу (рис. 1) з теплопродуктивністю 46,5 кВт. Як джерело тепла низького потенціалу використовується річкова вода з температурою на вході у випарник /н] = 10°С і на виході з нього /н2= 6°С. Температура води на вході в охолоджувач /но = 35°С, а на виході з конденсатора /В|= 70°С. Робочий агент в установці - хладон К21.

Рис. 1. Схема теплового насосу

Рішення. Приймаючи кінцеву різницю температур у випарнику Л/н =/„2 -/о= 2,5 К, знаходимо температуру випару '0 = 'н2-Д/н = 6-2'5 = 3,5°С.

Задаючись кінцевою різницею температур у конденсаторі Д/к - /в | - /к = 5°С, визначаємо температуру конденсації 'к='.1-Ч=70 + 5 = 75вС.

Використовуючи 7> - діаграму, знаходимо параметри робочого агента в наступних характерних точках схеми:

точка 1: г, "/0 = 3,5°С, р,= 0,08 МПа, Л,= 665 кДж/кг, Ч = 0,275 м3/кг;

точка 2: р2 = 0,78 МПа, /^ = 724 кДж/кг, /2 = 1 Ю°С;

точка 3: /3 - 75°С, />з= 0,78 МПа, /"3= 506 кДж/кг;

точка 4: /4=/п0 + Д/Н0 = 35 + 10 = 45°С, р4= 0,78 МПа, /"4=468 кДж/кг,

точка 5: /5 = +3,5°С, р5= 0,08 МПа, /15= 468 кДж/кг.

Ентальпія робочого агента на виході з компресора при внутрішньому адіабатному ККД компресора г), = 0,8

Внутрішня робота компресора /в "Лг -Л|= 739 -665 = 74 кДж/кг.

Питоме теплове навантаження випарника

<70 = А, -Л5 =665-468= 197 кДж/кг.

Питоме теплове навантаження конденсатора Як = ї2 - Лз в 739 - 506 = 233 кДж/кг.

Питоме теплове навантаження охолоджувача <7П0 = /?3 - //4 = 506 - 468 = 38 кДж/кг.

Енергетичний баланс 0 = 'в + ?о=?к+?по =74 + 197 = 233+38 = 271 кДж/кг.

Масова витрата робочого агента с = Єв/(^к + 9по) =46,5/(233+38) = 0,172 кг/с.

Об'ємна продуктивність компресора Ух = О * v, = 0,172 0,275 = 16,9 мЗ/ч = 0,0047 м3/с.

Розрахункове теплове навантаження випарника ЄЬ=90С= 197 0,172 = 34 кВт.

Розрахункове теплове навантаження охолоджувача йіо = ЯпоО= 38 * 0,172 = 6,8 кВт.

Приймаючи електромеханічний ККД компресора г|эм = о 9 визначаємо питому роботу компресора Іш = 'в' Лэм = 74/0>9 = 82>2 кДж/кг.

Питома витрата електроенергії на одиницю виробленого тепла а™ = 'км 1 (Як + ?по) = 82,2/(233 + 38) = 0,304.

Електрична потужність компресора *э = Іш° = 82,2-0,172 = 4,2 кВт.

Коефіцієнт трансформації ос=(9к+9по)^Км=1/эт.н = 1/0,304 = 3,3.

Середня температура низькотемпературного тепловіддатчика

Тн ер = 10 + 6У2 + 273 = 281 К

Середня температура отриманого тепла Гвср= (70 + 35)/2 + 273 = 325,5 К.

Коефіцієнт працездатності тепла з потенціалом (т9)в = 1 -(293/325,5)= 1 -0,9 = 0,1.

Коефіцієнт перетворення теплонасосної установки

2. Струминні теплові насоси

Струминні ТН відносяться до пристроїв із тепловим приводом. Замість механічного компресора застосовують струминні компресори. У холодильній техніці такі пристрої зустрічаються в пароструминних (ежекторних) холодильних машинах, де як робоча речовина використовується водяна пара.

Струминний компресор одержує приводну енергію у вигляді питомої ентальпії робочої пари з пароперетворювачем зовнішньої теплоти (рис. 2). У струминному компресорі енергія, що міститься в робочій парі, перетворюється в енергію струменя, а пара хладоагента завдяки процесу інжекції відсмоктується з випарника, змішується з робочою парою й у дифузорі стискується до тиску конденсатора. Змішувальний процес, характерний для струминного компресора, у принципі незворотний, і у зв'язку із цим термодинамічна досконалість циклів струминних ТН менше, ніж з механічним компресором.

Рис. 2. Схема струминного теплового насосу: 1 -- генератор робочої пари; 2 - насос; 3 - конденсатор; 4 -- струминний компресор; 5 - дросель; 6 - випарник

Через низький ККД струминних компресорів і незначний стиск дотепер немає відомостей про застосування пароструминних ТН. Звичайно більш доцільне використання пари, що є в наявності, залежно від її параметрів для турбін, що виробляють електроенергію або безпосередньо для опалення.

3. Сорбціонні теплові насоси

Сорбціонні ТН також відносяться до тепловикористуючих машин. Вони відрізняються від компресорних ТН тим, що замість механічної приводної енергії підводиться зовнішнє тепло, а стиск здійснюється за допомогою іншої речовини - розчинника. Місце механічного компресора займає термічний компресор (рис. 3), що складається з кип'ятильника (генератора), абсорбера, насоса й регулюючого вентиля.

Рис. 3. Схема термічного теплового насоса І - конденсатор; // - вентиль; /// - механічний компресор; IV - випарник; І-термічний компресор; Г - кип'ятильник (генератор); А - абсорбер

Розрізняють два типи сорбційних ТН:

* абсорбційні ТН - в випарнику й конденсаторі випаровується й конденсується чистий хладоагент при постійній температурі;

* резорбційні ТН - замість випарника використається десорбер (дегазатор), а замість конденсатора - резорбер, у яких суміш із хладоагента й розчинника дегазується й ресорбується при змінній температурі.

В абсорбційному ТН (інша назва: абсорбційний перетворювач тепла - АПТ) пара хладоагента, що надходить із випарника в абсорбер, поглинається з відводом теплоти О, від слабкого розчину й потім за допомогою насоса подається з розчином, багатим хладоагентом (міцний розчин), до генератора, де при більш високому тиску (тиску в конденсаторі) хладоагент випарюється при підведенні зовнішньої теплоти <2Г. Для очищення цієї пари від часток розчину при необхідності, залежно від властивостей двокомпонентної робочої речовини (хладоагент і розчинник), проводиться ректифікація. Отримана пара хладоагента направляється в конденсатор і проходить далі такі ж стадії перетворення, як у компресійному ТН: конденсація, дроселювання й випар, а слабкий розчин, що утворився, через регулюючий вентиль знову подається в абсорбер. Звичайно для поліпшення процесу встановлюються внутрішні теплообмінники - як між слабким і міцним розчином, так і між пароподібним хладоагентом після випарника й рідким хладоагентом після конденсатора.

АПТ можна розділити залежно від цільового призначення, застосовуваних у них робочих речовин, реалізованих циклів, виду використовуваних зовнішніх джерел теплоти, ступеня агрегатування, схем включення в технологічні процеси й від інших факторів.

По цільовому призначенню АПТ розділяються на три основні групи: для одержання холоду, теплоти й для комбінованого вироблення холоду й теплоти. конденсатор насос тепловий сорбціонний

У свою чергу, АПТ для одержання холоду по температурному рівні охолоджуваного джерела розділяються на дві групи: АПТ для області позитивних і АПТ для області негативних температур охолодження; деякі типи АПТ можуть застосовуватися як в області негативних, так і в області позитивних температур охолодження.

При одержанні теплоти АПТ підрозділяються на понижувальні й підвищувальні. Для одержання теплоти й для комбінованого вироблення холоду й теплоти можна використати й АПТ, які призначені для одержання холоду. Однак у ряді випадків для зазначених цілей потрібне створення спеціальних типів АПТ.

Залежно від застосування у промислових АПТ робочих речовин їх можна розділити на дві основні групи: водоаміачні й бромистолітієві. Однак, у зв'язку із широкими дослідженнями останнім часом можливостей використання в АПТ інших робочих речовин, до зазначених АПТ можна додатково включити хладонові, вуглеводневі, з неводними розчинами солей й ін.

По типу реалізованих в АПТ циклів їх можна розділити на АПТ із одно- і багатоступінчастими циклами. Одноступінчасті цикли АПТ одержали найбільше поширення для вироблення холоду в області позитивних і негативних температур охолодження, а також теплоти в понижувальних і підвищувальних АПТ. Для одержання холоду з температурою (-40...-50) °С и нижче застосовують, як правило, двоступінчасті АПТ, можуть застосовуватися й АПТ із двома й більше температурними рівнями охолодження. Одноступінчасті Й багатоступінчасті цикли АПТ розділяють, у свою чергу, на цикли із простими й складними процесами тепло- масопереноса в основних апаратах. Простими процесами є одноступінчасті зі сполученим і роздільним тепло-масопереносом в апаратах; до складних процесів відносяться процеси зі східчастою абсорбцією, десорбцією, конденсацією й кипінням робочої речовини.

Залежно від виду використовуваних зовнішніх джерел теплоти АПТ розділяються на АПТ із паровим, газовим або рідинним обігрівом генераторів, АПТ із водяним або повітряним охолодженням абсорберів і конденсаторів (або з комбінацією зазначених джерел охолодження апаратів).

У якості ідеального термодинамічного циклу для абсорбційного ТН застосовують комбінацію із циклів Карно для теплових двигунів і ТН при наступних передумовах:

* необмежено велика кратність циркуляції розчину;

* ізоентропне розширення хладоагента й розчинника, що компенсує роботу компресора;

- повна ректифікація, тобто одержання розчинника без тиску власної пари;

- ідеальна двокомпонентна робоча суміш, тобто відсутність питомої теплоти пари й рідини уздовж приграничній кривій (звідки випливає незалежність теплоти випару від розчинника й температури).

Якщо додатково врахувати такі передумови: двокомпонентна робоча суміш без теплоти розчинення (однаковість температур конденсації й абсорбції), плин процесу буде такий, як на рис. 4.

Рис. 4.

З огляду на зазначені передумови й приймаючи, що теплота випару не залежить від температури й відсутня теплота розчинення, одержуємо

На противагу до об'єднання теплової машини й ТН, де усі три температури можуть задаватися незалежно відповідно до співвідношення Тг > 7"к - Га > 7П, в абсорбційному ТН вільно призначаються тільки дві температури. Наприклад, призначення температур /0=0°С (джерело тепла) і /,=60 °С (споживач тепла) вимагає для приводного тепла /г=154 °С, тобто більш низькі температури недостатні для випарювання, а більш високі приведуть до втрат.

Далі, з урахуванням зроблених обмежень одержимо

тобто в одноступінчастій абсорбційній машині коефіцієнт перетворення не може бути більше 2, тоді як при об'єднанні теплового двигуна із ТН теоретично можуть бути отримані більш високі значення. Для сорбціонного ТН це значення може бути перевищено тільки при такої двокомпонентної робочої речовині, яка на ділянці теплонасосного циклу мас більшу теплоту розчинення, чим на ділянці циклу приводу, тобто в ресорбціонних ТН.

У багатоступінчастих сорбціонних ТН теоретично можуть бути досягнуті більш високі значення коефіцієнта перетворення. Однак з можливих двоступінчастих варіантів підключень має сенс тільки послідовне з'єднання (каскади) двох ступенів з ізольованими речовинами, тому що при цьому можуть застосовуватися дві пари різних речовин, які перекривають більшу різницю температур між високою температурою генерації з безпосереднім обігрівом і температурою джерела тепла.

Теоретично коефіцієнт тепловикористання для каскадних абсорбційних теплонасосних циклів становить

де т - число температурних ступенів гарячої частини (від робочої температури до максимальної температури генератора); п число температурних ступенів холодної частини (від робочої до мінімальної температури випарника).

При одноступінчатої холодної частини підвищуються можливі температури генератора й коефіцієнти тепловикористання при 7о=0 °С і Гв=60 °С з т ступенями в гарячій частині (табл.).

Коефіцієнти тепловикористання багатоступінчастих ТН

Дотепер не знайдена підходяща двокомпонентна робоча речовина для Tt >180°С, у зв'язку з чим такі системи не розроблені.

Для зображення Й розрахунку робочого циклу абсорбційних ТН користуватися 7',s-діаграмою незручно, так як концентрація розчину

тобто частка маси легкокиплячого хладоагента шлк у загальній масі розчину, що складається з тлк і розчинника от1к, не знаходить висвітлення в цій діаграмі.

В Існуючих абсорбційних ТН процеси перекачування її дроселювання розчину зміщені один від іншого. Фактично робочий цикл абсорбційного ТН також відхиляється від циклу Карно в ряді процесів:

* втрати тиску між генератором і кондиціонером;

* неповна ректифікація, тобто хладоагент, що циркулює в ТН не повністю очищається, а містить незначну кількість розчинника;

* неповний випар через наявність залишків розчинника;

* втрати тиску між випарником і абсорбером;

* неповна абсорбція, що виражається в падінні парціального тиску й у переохолодженні розчину;

* неповне випарювання, виражене в підвищеному тиску в генераторі;

* неповний теплообмін усередині циркуляційного контуру розчину. Відповідно до викладеного, з урахуванням коефіцієнта термодинамічної досконалості уа коефіцієнт тепловикористання реального абсорбційного ТН

При середніх умовах експлуатації з використанням двокомпонентної робочої речовини МН3/Н20 для великих абсорбційних ТН уа=0,75, а для невеликих - V, = 0,5...0,6.

На рис. 5 показано схему абсорбційного ТН із ректифікатором.

До генератора (кип'ятильника) у середній частині подається міцний розчин. Знизу здійснюється обігрів, наприклад, насиченою парою, тобто підведення Ог. Міцний розчин, що опускається усередині труб, нагрівається, а хладоагент 1МН3 випарюється. Пара, що піднімається, частково конденсується у верхній зоні дефлегматора (зворотне охолодження), завдяки чому в середній частині генератора -ректифікаторі, виникає протиток пари, що піднімається, і конденсату, що опускається. V ректифікаторі, у верхній частині якого розташовані ректифікаційні тарілки, а в нижній - насадка, відбувається ректифікація (очистка) пари. Вихідний зверху хладоагент надходить для скраплення в конденсатор, виконаний у цьому випадку у вигляді кожух отру бн ого апарата. Зріджений у конденсаторі хладоагент знову переохолоджується в теплообміннику № 1 і через регулюючий вентиль РВІ направляється у випарник, що також виконаний у вигляді кожухотрубного апарата. Хладоагент відбирає у теплоносія, що рухається по трубах, теплоту для випару. Пара хладоагента, що піднімається, знову нагрівається (перегрівається) у теплообміннику № І. В абсорбері відбувається абсорбція пари хладоагента, що надходить із теплообмінника № І, у слабкий розчин, що надходить із генератора.

Рис. 5. Схема абсорбційного ТН з ректифікатором: 1 - генератор (кип'ятильник з ректифікатором); 2- конденсатор; З - випарник: ^-абсорбер; 5 -насос для перекачування розчину; б. 7 - теплообмінники, відповідно № І і №2.

Абсорбер виконаний у вигляді апарата з горизонтальним пучком труб, які обмиваються слабким розчином із зовнішньої сторони. Виникаючий при цьому міцний розчин за допомогою насоса знову подається в генератор через теплообмінник № 2, де міцний розчин підігрівається зустрічним гарячим слабким розчином. В абсорбері ТН теплота з конденсатора, абсорбера й дефлегматора відводиться назовні і може бути використана.

Размещено на Allbest.ru