Комбіновані теплонасосні установки малої потужності для систем теплопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний політехнічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність - Промислова теплоенергетика

Комбіновані теплонасосні установки малої потужності для систем теплопостачання

Тростянецький Леонід Михайлович

Одеса 1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Промислова теплотехніка та енергозбереження» Одеського державного політехнічного університету

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Титар Сергій Семенович. Одеський державний політехнічний університет, завідуючий кафедрою промислової теплотехніки та енергозбереження.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бурдо Олег Григорович. Одеська державна академія харчових технологій, завідуючий кафедрою процесів і апаратів

кандидат технічних наук, доцент Кожелупенко Юрій Деонисович. Одеська державна академія холоду, доцент кафедри систем терморегулювання.

Провідна організація - Одеська науково-виробнича фірма «Нові технології».

Захист відбудеться « 26» червня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 05.06.02 Одеського державного політехнічного університету за адресою: 270044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці за адресою: 270044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 20 травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізірованоі ради, професор Мазуренко А.С.

1. Загальна характеристика роботи

теплонасосний електроенергетика кондиціонер

Актуальність роботи. Проблема енергозбереження стає одною з найважливіших в енергетиці. Один з найперспективніших напрямків розв'язання цієї проблеми пов'язаний з розвитком різних форм нетрадиційної енергетики, включаючи створення, застосування і вдосконалення теплонасосних установок і систем, розробку і реалізацію раціональних систем комбінування теплових насосів і традиційних систем теплопостачання, теплових насосів і геліосистем тощо. Принцип дії теплового насоса, фізичні причини енергетичної ефективності цього пристрою відомі вже понад ста років. Є широкий досвід практичного застосування цих пристроїв. Незважаючи на очевидні досягнення щодо практичного використання теплових насосів у різних галузях промисловості до цього часу переважним є використання здебільшого парокомпресійних теплових насосів як пристроїв реверсивних відносно установок кондиціювання повітря для розв'язання проблем опалення та деякою мірою гарячого водопостачання.

Відомо, що названий напрямок практичного застосування теплових насосів успішно розвивається перш за все у країнах теплого та помірного клімату, де середньодобова температура навколишнього середовища знижується не більше за 0 ⁰С.

Це дозволяє зберегти працездатність серійно вироблених теплових насосів протягом усього періоду експлуатації. Відомо, що при зниженні температури навколишнього середовища нижче нуля, продуктивність теплових насосів різко знижується, а при деякому значенні цієї температури їх експлуатація стає неможливою. Це добре відома велика залежність статичних характеристик парокомпресійних теплових насосів (ТНУ) та їх енергетичної ефективності від температури низькопотенційного джерела тепла не враховується, як правило, при визначенні схемних і конструктивних технологічних рішень найбільш ефективного застосування ТНУ. Тому не набули заслуженого розвитку різні схеми комбінування ТНУ з традиційними системами теплопостачання чи з іншими пристроями нетрадиційної енергетики.

Велика вада, яка суттєво й несприятливо впливає на інтенсивність практичного застосування ТНУ щодо розв'зання проблем теплопостачання, є високі питомі витрати при створенні цих установок.

З іншого боку, при експлуатації в побуті, у промисловості є значний парк парокомпресійного обладнання для кондиціювання повітря, не призначеного за вихідними експлуатаційними характеристиками до «реверсування» в ТНУ. Разом з тим, як на принципові міркування, це обладнання може працювати так само, як і ТНУ.

Проте теоретичні основи такої реконструкції не розроблено, а конкретний досвід експериментального моделювання таких задач невідомий. Між іншим, успішне дослідження цієї проблеми не лише сприяло б інтесифікації ефективного застосування ТНУ, але й забезпечило б ефект енергозбереження. Викладене доводить актуальність теми даної науково-дослідницької роботи.

Робота здійснена у рамках міжнародної програми INTAS, що присвячена дослідженню альтернативних джерел енергопостачання. Тематична направленність і зміст роботи відповідають основним завданням державноі програми «TASIS» Енергетичного центру ЕС у Києві.

Мета роботи: «Розвинути теоретичні положення експериментального і математичного моделювання комбінованих парокомпресійних ТНУ з тим, аби на цій підставі можна було об'єктивно враховувати вплив схемних рішень статичних характеристик ТНУ на температурні режими їх роботи та енергетичну ефективність, а також визначити методи (шляхи) раціональної реконструкції існуючих побутових кондиціонерів у ТНУ».

Наукову новизну дисертації окреслено так:

вперше виконано експериментальні дослідження температурних режимів та енергетичної ефективності різних варіантів реконструювання серійного побутового кондиціонера в побутову ТНУ, що використовує, залежно від схеми, як джерела низькопотенційного тепла - повітря навколишнього середовища або воду від рідинної системи;

виконано математичне моделювання температурних режимів та енергетичної ефективності індивідуальних і комбінованих ТНУ з урахуванням статичних характеристик теплообмінного обладнання та парокомпресійних агрегатів для типових схемних рішень;

запропоновано концепцію узагальнення температурних характеристик і показників енергетичної ефективності ТНУ на підставі ідей та процедур, що передбачені теорією подібності, доведено ефективність такого підходу на конктретних результатах теоретичного аналізу.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень, виконані за темою дисертації, обґрунтовують таке наукове положення: «Математичні моделі температурних режимів та енергетичної ефективності комбінованих парокомпресійних теплонасосних установок, що збудовані з урахуванням використання статичних характеристик компресорного і теплообмінного обладнання, створюють об'єктивну основу для правильного вибору схемних рішень і параметрів ТНУ, виявлення раціональних зон експлуатації цих установок, у тому числі як «доводників» для усунення дефіциту теплопостачання в існуючих опалювальних системах, при спільній роботі з геліоустановками й акумуляторами тепла та в інших ситуаціях практичного застосування комбінованих ТНУ».

Обґрунтованість наукового положення, головних висновків, пропозицій і рекомендацій визначається: задовільним узгодженням розрахункових та експериментальних даних за температурними режимами роботи ТНУ, застосуванням апробованих методів експериментальних та теоретичних досліджень, всебічним аналізом можливих джерел похибок.

Практична цінність дисертації визначається:

Розробленими інженерними методами об'єктивного визначення енергетичної ефективності звичайних і комбінованих ТНУ з урахуванням: типу джерела низькопотенційного тепла, статичних характеристик обладнання, показників «енергетичної» та економічної цінності одиниці використаної первинної енергії тощо.

Позитивними результатами експериментального моделювання розрахункових варіантів реконструкції парокомпресійних кондиціонерів, що серійно випускаються, для трансформації їх в ефективні, як на енергетичному, так і на економічному рівні, теплонасосні установки.

Дисертація складається зі вступу, чотирьох глав, висновків, рекомендованої літератури, додатків. Обсяг дисертації - 178 сторінок, включаючи 130 сторінок основного тексту, 1 таблицю, 40 рисунків, рекомендовану літературу (47 джерел), додаток.

Головні результати роботи опубліковано у шести працях.

2. Основний зміст роботи

У першому розділі дано аналітичний огляд проблеми, що базується на вивченні інформації, рекомендованої в статтях й у відомих монографіях зарубіжних та вітчизняних спеціалістів, таких як Рей і Макмайкл, Хайнріх Г. і Найрон Х., Мартиновський В.С., Янтовський Є.Н та Левин Л.А., Везиришвілі О.Ш. і Меладзе Н.В., Проценко В.П., Кліланд А. та інші. Доведено, що теплонасосна техніка і технологія інтенсивно розвивається, а виробництво ТНУ протягом останніх десятиліть характеризується стійкими тенденціями інтенсивного зростання та споживання. Доведено, що незважаючи на значні успіхи практичного застосування теплонасосних установок у різних галузях промисловості галузь найбільших потреб щодо теплонасосної техніки і технології пов'язана з проблемами теплопостачання. Визначено, що незважаючи на неухильно зростаючий інтерес до адсорбційних та інших «непарокомпресійних» варіантів ТНУ найбільше поширення й розвиток набули саме парокомпресійні ТНУ. З аналітичного огляду випливає:

Великою вадою ТНУ є значні капітальні витрати, що робить економічно виправданим застосування цих установок тільки при певних співвідношеннях між цінами на «замикаюче» паливо й одиницю встановленого обладнання. Тому використання як резерву для «перетворення» на теплонасосні установки існуючого парку парокомпресійних кондиціонерів становить перспективну й актуальну науково-технічну проблему, успішне розв'язання якої пророкує економічний ефект. В літературі немає відомостей щодо експериментальних й аналітичних досліджень цієї проблеми, також як і практичних рекомендацій її реалізації.

Теоретичні дослідження теплонасосних установок визначають математичні моделі їх статичних характеристик, а закономірності енергетичної чи економічної ефективності вивчаються за умов орієнтації на номінальні режими роботи ТНУ. Оскільки для ТНУ типові є істотно змінні режими роботи, але зміна температур підведення та відведення тепла дуже впливає на продуктивність та ефективність роботи ТНУ, тому існуючий підхід до розрахунково-теоретичних досліджень потребує відповідних змін і вдосконалення.

Існують різні схеми застосування ТНУ в комбінованих системах теплопостачання, але немає математичних моделей, що описують енергетичні характеристики різних схем комбінованих ТНУ та досвід їх порівняльного аналізу.

Одне з загальновизнаних і найпоширеніших застосувань ТНУ пов'язано з задачами опалення і гарячого водопостачання. Виняткова різноманітність джерел практичних задач цієї галузі актуалізує теоретичний підхід до створення узагальнених характеристик теплонасосних установок, включаючи визначення їхньої енергетичної ефективності. Але пропозиції цього напрямку невідомі.

Сформульовані висновки так окреслюють задачі цієї дисертаційної роботи:

Розробити методики теоретичного аналізу «енергетичної» ефективності парокомпресійних теплонасосних установок,звичайних і комбінованих, з урахуванням температурних режимів їх роботи, статичних характеристик теплообмінних апаратів і компресорних груп.

Виконати теоретичний аналіз енергетичної ефективності деяких варіантів перспективного застосування комбінованих теплонасосних установок, включаючи схемні рішення сполучення теплонасосних установок і споживачів тепла, в тому числі за умов використання ТНУ як «доводників» тепла існуючих систем теплопостачання.

Виконати експериментальне моделювання теплових режимів побутового парокомпресійного кондиціонера типу ПК, що реконструйований у теплонасосну установку, визначити найкращі варіанти реконструкції та їх ефективність для обґрунтування рекомендацій щодо практичного застосування.

Експериментально перевірити адекватність розроблених методик теоретичного аналізу, а також деяких практичних задач, показати ефективність їх застосування.

Другий розділ дисертації висвітлює питання математичного моделювання температурних режимів і характеристик енергетичної ефективності комбінованих теплонасосних установок. У ній:

Розглянуто принципові схеми комбінування теплонасосних установок та вихідні положення побудови математичних моделей.

Створено математичні моделі температурних режимів ефективності комбінованих ТНУ.

Запропоновано, обґрунтовано та реалізовано узагальнений метод аналізу енергетичної ефективності комбінованих ТНУ на підставі ідей та відомих положень теорії подібності.

Розглянуто зміни в методиках математичного моделювання з використанням у системі сукупності теплових насосів, що утворюють теплонасосну групу (ТНГ), де ТН можуть бути сполучені послідовно чи паралельно.

Дано численні приклади реалізації математичних моделей. Помічено, що з погляду побудови математичних моделей комбінованих ТНУ, різні схеми комбінування можна подати двома варіантами спільної роботи ТНУ (ТН) і теплообмінника рідинної системи, з якою «комбінується» ТНУ.

Ці варіанти схемних сполучень показано на рис.1. Використано відомі співвідношення перевірочного розрахунку теплообмінних апаратів, нехтуючи зміни середніх значень коефіцієнтів теплопередачі та «водяних еквівалентів» теплоносіїв у теплообмінниках ТНУ, оскільки для головних апаратів ТНУ (випарник і конденсатор) галузі конвективних зон (перегріта пара, переохолоджений конденсат тощо) не роблять, як правило, істотний внесок у загальну поверхню теплообміну відповідного апарата. Використано також лінеаризовані статичні характеристики парокомпресійних груп у вигляді

(1)

. (2)

На цій основі в дисертації здобуто рівняння, що визначають залежність характерних температур ТНУ від головних чинників (температури джерела низькопотенційного тепла, температури навколишнього середовища, коефіцієнтів теплопередачі k_i, поверхонь теплообмінників F_i і т.д.). На цій самій основі одержано рівняння для розрахунку енергетичної ефективності щодо різних альтернативних варіантів усунення дефіциту теплопостачання.

Встановлено, що слід розрізняти два головні режими роботи ТНУ - «безперервний» і « періодичний».

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема 1 Комбінованої теплонасосної установки та розімкнутої рідинної системи теплопостачання з наперед ввімкнутою установкою теплового насоса; F₁ - теплообмінник, що сполучає рідинну систему теплопостачання з ТНУ; ТН - тепловий насос; F₂ - теплообмінник, що передає тепло споживачу тепла від рідинної системи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема 2 Комбінованої теплонасосної установки та розімкнутої рідинної системи теплопостачання з «послідовною» установкою теплового насоса; F₁ - див. вище; ТН - див. вище; F₂ - див. вище.

При безперервному режимі досяжна теплопродуктивність ТН Q_тн менша за дефіцит теплопостачання або дорівнює йому в існуючій системі опалення, яка при номінальному теплоспоживанні Q₀ забезпечує лише Q₀, тобто

. (3)

Вважається, що величина теплової потужності Q, яку бракує і яка дорівнює

Q₀-Q₁₀-Q_тн=Q, (4)

компенсують, використовуючи електрообігрів або газовий обігрів.

За таких умов результуюче рівняння, яке визначає «енергетичну» ефективність застосування ТНУ, що працює за схемою 2, за умов безперервної роботи має вигляд

. (5)

Для схеми 1 при безперервній роботі відповідно матимемо

(6)

Для періодичної роботи вихідне рівняння, що визначає економію витрат, має одну ту саму форму для схем 1 і 2

. (7)

Використано співвідношення для Q₀ і Q₁₀ у вигляді

(8)

, (9)

а також рівняння для визначення відносного періоду безперервної роботи ТНУ

. (10)

Це рівняння здобуто з міркувань, що перехід до періодичної роботи (<1) настає тоді, коли =1. З урахуванням (6) - (10) дістають алгебраїчні співвідношення для розрахунку енергетичної ефективності ТНУ в функції від температури на вході t₁ в існуючу рідинну систему (система опалення, геліосистема, лінія водопроводу тощо).

Ідея переходу від окремих характеристик температурних режимів ТНУ та їх енергетичної ефективності до узагальнених залежностей базується на відомих положеннях теорії подібності.

Розглянемо можливість побудови узагальненого аналізу температурних і енергетичних характеристик теплонасосних установок, використовуючи відомі в теорії подібності методи та способи, в першу чергу, при здійсненні переходу від розмірних змінних до безрозмірних.

Візьмемо як масштаби, що визначають температурні й енергетичні характеристики теплонасосних установок, такі величини:

Масштаб теплової потужності

. (11)

2. Масштаб температурних змін

. (12)

3. Масштаб масової витратної теплоємності (водяний еквівалент)

.

4. Безрозмірні характеристики ефективності теплообмінників - числа одиниць переносу N₁ і N₂

.

Визначимо такі безрозмірні параметри і характеристики теплонасосних установок:

1. Відносна температура при вході у рідинну систему

. (13)

2. Відносна температура робочого режиму випарника ТН

. (14)

3. Відносний тепловий потік, що передається через індивідуальну комбіновану систему теплопостачання на основі теплового насоса

. (15)

4. Відносна теплопродуктивність ТН (теплонасосної установки)

. (16)

5. Відносні витрати електроенергії на привід теплового насоса

. (17)

6. Відносна економія електроенергії в комбінованих системах індивідуального теплопостачання

(18)

7. Відносна номінальна продуктивність ТН

.

8. Безрозмірний параметр ТН

.

Використовуючи дані положення, співвідношення типу (1) - (9) та інші було зведено до безрозмірного узагальненого виду. Типовий вигляд узагальнених характеристик зазначений в дисертації. Ці характеристики одержано для певних значень і . Видно, що в області безперервної роботи ТН зростає зі збільшенням , тобто зі зменшенням дефіциту. Коли =1, досягає максимуму. Якщо виникає необхідність переходу до періодичного включення ТН або іншого способу зниження його теплопродуктивності, тоді це призводить до різкого зменшення «енергетичної» ефективності ТН. Але якісно такий висновок не є раптовий. Його слід вважати очікуваним. Однак кількісні форми об'єктивного визначення області ()_max, встановлення залежності місця цієї області від головних чинників невідомі.

Визначення узагальненої форми такої залежності, яка справедлива для найрізноманітніших схем ТНУ, що мають єдині значення і , вважається досить корисним і цінним для поглибленого розвитку понять про найдоцільніші форми практичного застосування ТНУ. Повний виклад процедур математичного моделювання, виведення усього складу відповідних формул і рівнянь, їх всебічний аналіз дано в тексті глави 2, включаючи й інші розглянуті в цій главі задачі теоретичного аналізу, що перелічені вище.

Третій розділ дисертації характеризує методи і засоби експериментального моделювання, що використано в роботі.

У главі викладено:

Вихідні положення для визначення методів і засобів експериментального моделювання в рамках поставлених задач досліджень.

Опис експериментальної установки, головних її елементів і засобів вимірювання.

Опис методики підготовки і проведення експериментальних досліджень, включаючи всі типові режими роботи експериментальної установки:

3.1. Режим роботи кондиціонера.

3.2. Режим роботи теплового насоса з використанням повітря навколишнього середовища як джерела тепла,

3.3. Режим роботи ТН з використанням води рідинної системи як джерела низькопотенційного тепла.

Аналіз похибок.

Експериментальна установка складається з таких головних елементів:

Побутового кондиціонера типу ПК-1500.

Додаткового водяного теплообмінника, що використовується як випарник хладону в режимі роботи ПК-1500 як тепловий насос.

Водяний електронагрівач, призначений для незалежної зміни температури води при вході у водяний випарник.

Системи вимірювань параметрів.

Реконструйованої гідравлічної розводки з системою запірної та регулюючої арматури, що дозволяє змінити технологічні схеми одержання тепла (холоду) в експериментальній установці.

Побутовий кондиціонер типу ПК-1500 складається з герметичного ротаційного компресора 1 марки ФГрВ-1.75, обладнаного вбудованим електродвигуном марки АС152, штатного конденсатора та випарника з вентилятором, системи циркуляції й охолодження електродвигуна, корпуса з приймальними вікнами для повітря з оточуючого середовища, вихідного каналу подачі охолодженого повітря при роботі в режимі кондиціювання.

Теплообмінник вертикальної установки складається зі стального корпуса діаметром D1/D2=102/109., спірального змійовика з трубок діаметром d1/d2=8/10., витискувача, загальна поверхня теплообміну 0.28 м². Усередині трубок рухається хладон R12, що випаровується. Через міжтрубний простір прокочується вода, яка, охолоджуючись, випаровує хладон до паровмісту, близького до одиниці. Висота теплоообмінника H=0.4 м.

Теплообмінник нагрівача складається з корпуса і водяного ТЕНу номінальною потужністю до 2 кВт.

Вода в підігрівнику рухається в кільцевому просторі між ТЕНом і корпусом підігрівника, нагріваючись до температур 40 - 50 ⁰C, залежно від потужності, що подано на ТЕНи, і від витрати води.

Регулюючими діями в експериментальних дослідженнях були:

Витрата повітря на штатний конденсатор ТНУ через регулювання ступеня зачинення шибера на вході у вентилятор.

Витрата повітря, яке циркулює через теплообмінник ТНУ за допомогою засувки, на рециркуляцію повітря всередині кондиціонера.

Витрата води на рідинний теплообмінник за допомогою вентиля на напірній магістралі.

Температура води на вході у рідинний теплообмінник за допомогою електронагрівача.

Аналіз похибок при вимірюванні витрат дозволив одержати відносну похибку 5.2%, при вимірюванні різниці температур 20%, при виявленні значень теплових потоків Q_і чисел переносу (k^.F)_i середня відносна похибка дорівнює 26.2%.

У четвертому розділі йдеться про результати досліджень теплових режимів комбінованих ТНУ, включаючи зіставлення з даними математичного моделювання, їх обміркування й аналіз.

Зміст глави складають такі параграфи:

1. Експериментальне визначення робочих параметрів і характеристик дослідної установки та її головних параметрів.

Під цим розуміємо експериментальне визначення середніх коефіцієнтів теплопередачі k_i або чисел переносу (k^.F)_i для штатних теплообмінників експериментального ПК і водяного випарника та експериментальне визначення коефіцієнтів лінеаризованої характеристики компресора.

2. Експериментальне моделювання теплонасосних установок на основі кондиціонерів ПК з використанням повітря навколишнього середовища як низькопотенційного джерела тепла.

В цьому параграфі подано й обмірковано типові результати експериментальних досліджень для різних можливих варіантів «реверсування» потоків у кондиціонерах ПК, включаючи зміну ступеня дроселювання потоку рідини після конденсатора.

3. Експериментальне моделювання теплових режимів і схемних рішень теплових насосів на основі кондиціонера ПК при використанні низькотемпературного потоку рідини як джерела тепла ; на цих експериментах було встановлено не тільки реальні можливості застосування кондиціонерів ПК як теплових насосів при можливих схемах приєднання теплообмінників ПК, в тому числі досяжні теплові потоки і температури нагрітого повітря залежно від температури при вході.

Крім того в цих дослідах було здобуто відповіді на такі важливі прикладні питання як:

чи стійкі режими роботи ПК разом з додатковим теплообмінником;

як швидко встановлюється стаціонарний режим роботи;

наскільки можна відтворити результати та яка повторюваність стаціонарних режимів і т.д.

4. Окремий параграф глави присвячений аналізу надійності прийнятих у роботі методик експериментального і математичного моделювання.

З цією метою для кожного досліду проведено перевірку теплового балансу через зіставлення теплового потоку, відводимого від конденсатора теплонасосної установки Q_к порівняно з сумарною кількістю тепла Q_п, що підведено до ТНУ у випарнику та енергії, що підведена до електродвигуна компресора N_н й електродвигунів вентиляторів N_в.

Результати такого порівняння цього сумарного підведеного теплового потоку Q_п і Q_к для основних теплових режимів ПК з рідинним теплообмінником наведені на рис.2 і свідчать про добре узгодження вказаних величин, які можна тлумачити як підтвердження надійності прийнятої методики експериментальних досліджень.

Особливу увагу було приділено зіставленню результатів експериментального і математичного моделювання. Аналіз, виконаний в дисертації, показав,що найбільш об'єктивне таке порівняння може бути зроблено, в першу чергу, для теплових режимів ПК з рідинним теплообмінником. Для цих режимів експериментальне визначення k і (k^.F) добре контролювалося розрахунковими оцінками. Ці самі режими безпосередньо імітували роботу комбінованих ТНУ, в тому числі як систем опалення. Результати такого зіставлення даних розрахункового визначення теплової потужності ТНУ, що працює за схемою 2 (див.рис.1) Q_тн0, при порівнянні з експериментальними даними по теплових потоках, що передані нагрітим повітрям у приміщення Q_в для різних витрат теплоносія G₁ та при різних початкових температурах на вході у рідинний теплообмінник t₁, наведено на рис.3, і це свідчить про добре узгодження результатів математичного та експериментального моделювання, а отже, про надійність та обґрунтованість сформульованих на їх основі положень та рекомендацій.

5. В окремих параграфах подано практичні додатки розроблених методик моделювання режимів ТНУ, найважливіші безпосередньо в практичному відношенні результати експериментальних досліджень наведено на рис.4. Ці дані свідчать про таке:

Нескладна реконструкція існуючих кондиціонерів типу ПК, що включає установку додаткової арматури й байпасних ліній у відповідних місцях гідротракту холодильного агенту разом з рідинним теплообмінником-випарником, що підключається до рідинної системи, яка може бути використана як низькопотенційне джерело тепла, забезпечує здобуття значних теплових потоків (до 2 кВт на апараті ПК-1500) при температурі гарячого повітря понад 45 ⁰С.

Реконструкція побутових кондиціонерів, що не пов'язана з установкою додаткового рідинного теплообмінника та зорієнтована на повітря навколишнього середовища як на джерело низькопотенційного тепла, не дозволяє дістати добрі експериментальні показники таких ТНУ.

Найкращим варіантом реконструкції є той, при якому штатний конденсатор використовується за своїм призначенням, а повітряний тракт випарника роз'єднаний від навколишнього середовища.

У параграфі, привяченому практичному застосуванню результатів досліджень, розглянуто конкретні приклади використання ТНУ для усунення дефіциту теплопостачання.

Приклад №1 пов'язаний із застосуванням реконструйованого кондиціонера типу ПК-1500 як «доводника» діючої системи опалення.

Приклад №2 означуваний використанням ТНУ разом з геліоустановкою відповідно до умов теплопостачання Одеського лікеро-горілчаного заводу.

Для прикладу №1 використано конкретні безрозмірні узагальнені параметри, встановлені експериментально на зразку ПК-1500:

Головним предметом аналізу було визначення енергетичної ефективності при різних альтернативних варіантах усунення дефіциту теплопостачання. Підстановка конкретних значень вихідних параметрів задачі (19) за умов безперервної роботи ТН щодо орієнтації на використання електрообігріву як альтернативи для усунення дефіциту теплопостачання дає формулу для розрахунку відносної енергетичної ефективності застосування ТНУ за схемою 1 (див. рис.1) у функції від відносної температури теплоносія ₁ у вигляді

. (20)

Для періодичного режиму роботи

, (21)

, (22)

звідси випливає, що перехід до «періодичного» режиму роботи ТНУ в даному випадку трапляється, коли ₁ 0.389.

Для схеми №2 відповідно здобуто для «безперервного» режиму:

. (23)

Для «періодичного» режиму:

. (24)

Перехід від «безперервного» режиму до «періодичного» стається для схеми 2 при ₁=0.302.

Якщо при аналізі орієнтуватися як альтернативою для усунення дефіциту теплопостачання не на електричний, а на газовий підігрів, тоді, як зазначено в дисертації, відносна енергетична ефективність застосування ТНУ знижується на величину, що дорівнює N_н(1-)/, де - к.к.д. теплоенергетичної установки щодо перетворення тепла палива на електроенергію. Поклавши величину =0.4, для конкретних умов задачі нескладно встановити нові залежності від ₁ для схем 1 і 2, ділянок «безперервної» і «періодичної» роботи ТНУ. Всі здобуті залежності подано на рис.6. Видно, що при орієнтації на газовий підігрів як альтернативи використання ТНУ, суттєво звужується зона енергетичної ефективності застосування ТНУ як «доводників» існуючих систем опалення, а для розглянутого конкретного випадку схема 1 виявляється «енергетично», а отже, економічно некорисною.

У дисертації зроблено висновок, що за розглянутих конкретних умов при орієнтації на газовий підігрів як альтернативи застосування ТНУ як доводників має рацію тільки за схемою 2 і лише в тому випадку, якщо забезпечується тривалий безупинний режим роботи ТНУ при ₁, близькому до величини 0.3, коли досягнуто максимальний ефект від використання ТНУ.

Для другого прикладу використано як вихідні дані НДДКР, яка забезпечує запровадження однієї з перших вітчизняних комбінованих систем теплопостачання, що складається з геліоустановки з акумулятором тепла і ТНУ.

У дисертації розглянуто різні варіанти спільної роботи геліоустановки і ТНУ для конкретних умов роботи дослідної промислової установки на Одеському лікеро- горілчаному заводі.

За звітними матеріалами вищеназваної НДДКР встановлено лінеаризовані статичні характеристики, які рекомендовані до застосування ТНУ, виготуваних серійно Мелітопольським заводом холодильного машинобудування (ТНУ марки 24НКВ40-2-8, що працює на хладоні R22)

. (25)

N_i=(kF)_i/GC_pi

Користуючись основами математичного моделювання статичних характеристик комбінованих теплонасосних установок, розроблених в дисертації, ми знайшли чисельні значення лінійних коефіцієнтів b₁ і b₂;..і т.д. для розглядуваної практичної задачі 2, дістали лінійні апроксимації для залежності температур кипіння t_s і конденсації t_к для ТНУ вказаного типу і параметрів теплообмінного обладнання. Ці співвідношення мають вигляд:

(26)

. (27)

Спільний розгляд (25) - (27) для заданих температур навколишнього середовища t_o.c і температури зворотного потоку діючої системи теплопостачання t₂ визначили залежність для теплопродуктивності ТНУ для двох схемних рішень:

ТНУ «працює» паралельно з геліоустановкою, використовуючи як низькопотенційне джерело тепла повітря навколишнього середовища;.

ТНУ «працює» послідовно з геліоустановкою, використовуючи як низькопотенційне джерело тепла об'єм рідини в теплоакумуляторі.

Доведено, що друга схема має безперечну перевагу перед першою та забезпечує істотний енергетичний та економічний ефект при певних об'ємах теплоакумулятора і певній періодичності підключення ТНУ. Ці рекомендації було враховано в процесі робочого проектування та при налагодженні зазначеної комбінованої системи опалення і гарячого водопостачання, що складається з геліоустановки й ТНУ, прийнятої в експлуатацію на Одеському лікеро-горілчаному заводі.

Висновки та рекомендації

Результати досліджень визначили такі загальні висновки та рекомендації даної дисертаційної роботи:

1. Теплонасосні установки і системи становлять галузь промислової теплотехніки, що інтенсивно розвивається. Раціональне практичне застосування теплових насосів приводить до суттєвого виграшу в енергетичних затратах, до того ж є потужним засобом енергозбереження. Великою вадою ТНУ є значні питомі капітальні витрати, що виправдовує використання цих установок лише при певних пропорціях між цінами на електроенергію й тепло палива, а також при високій енергетичній ефективності цих установок. Ефективним засобом подолання цих вад можуть стати заходи щодо реконструкції існуючого й працюючого парку парокомпресійного обладнання для кондиціювання повітря.

2. Використані при експериментальному моделюванні методи й засоби дозволяють через досліди надійно визначати необхідні для теоретичного аналізу конструктивно-технологічні параметри головних апаратів теплонасосної установки: теплові проводимості (k^.F)_i, характерні величини лінеаризованої статичної характеристики парокомпресійного агрегату Q₀, b_i тощо.

3. Установка як додатковий елемент до кондиціонерів типу ПК, теплообмінника типу рідина-рідина, відповідна реконструкція гідравлічної розводки цього кондиціонера, що дозволяє при переводі його у режим роботи теплового насоса підключати додатковий рідинний теплообмінник для роботи як випарник робочого агенту, який відбирає тепло від деякого рідинного потоку, дає можливість розв'язати проблему індивідуального теплопостачання, використовуючи існуюче серійне кондиційне обладнання. Таке технічне рішення розв'язує проблему широкого практичного запровадження енергозберігаючої технології раціонально не лише в побуті, але й у промисловості, там, де існують працюючі побутові кондиціонери типу ПК і трапляються низькотемпературні рідинні потоки, що допускають охолодження.

Подане технічне рішення здається особливо привабливим, бо його реалізація не потребує розв'язання таких складних, тривалих проблем, що дорого коштують, як розробка й освоєння в серійному виробництві спеціального теплонасосного обладнання. Це рішення для реалізації не потребує істотних капіталовкладень, і разом з тим його запровадження дає великий енергозберігаючий та економічний ефект.

4. Експериментальні дослідження показують, що запропоновані математичні моделі, в яких використовуються лінеаризовані статичні характеристики парокомпресійних холодильних установок і передбачається сталість теплових проводимостей (k^.F)_i і водяних еквівалентів (G^.C_p)_i цілком задоволено описують встановлені температурні режими комбінованих теплонасосних установок з парокомпресійними агрегатами й рідинними системами теплопостачання й дають обґрунтовані кількісні оцінки «енергетичної» ефективності цих пристроїв.

5. Ефективність комбінування теплонасосних установок з рідинними системами суттєво залежить від відношення теплопродуктивності теплонасосної установки Q_тн й дефіциту при теплопостачанні альтернативною системою Q₁. При рівності цих величин досягнуто максимум «енергетичної» ефективності.

6. Розроблений у дисертації підхід до математичного моделювання стаціонарних температурних режимів і показників ефективності комбінованих теплонасосних установок й здобуті на його підставі методи розрахунку дозволяють розв'язати різноманітні практичні задачі, визначити головні рекомендації щодо вибору режимних параметрів, конструктивно- технологічних і схемних рішень.

7. При застосуванні комбінованих теплонасосних установок разом з геліосистемами з теплоакумуляторами для опалення й гарячого водопостачання найбільший енергозберігаючий ефект дає підключення теплового насоса з використанням теплоакумулятора як джерела низькопотенційного тепла.

Встановлені в роботі параметри температурних режимів для подібної схеми застосування теплового насоса використано в робочому проектуванні при виготовленні й монтажі подібної схеми опалення та гарячого водопостачання для Одеського лікеро-горілчаного заводу; вони й забезпечили досягнення істотного економічного ефекту.

Основний зміст дисертації опубліковано у таких роботах

Смирнова Е.Г., Тростянецкий Л.М. Теплотехнический анализ совместной работы существующих систем отопления и тепловых насосов // Промышленная теплотехника. - 1998. - Т. 20, №3. - С. 38 - 41.

Smirnova E.H., Trostjanetsky L.M., Tsoy A.D. The common work heat pump and existing domestic heating system thermophysical analysis // Proceedings International Scientific-International Conference "Corean scientists input in Kazachstan science and technology". - Alma-Ata. - 1997. - P. 8 - 9.

Тростянецкий Л.М., Палатник И.Л., Титарь С.С. Комбинированные системы теплоснабжения // Сборник научных трудов молодых ученых. - Одесса: ОГПУ. - 1998. - С. 85 - 89.

Смирнова Е.Г., Тростянецкий Л.М., Титарь С.С. Комбинированные теплонасосные установки и их теоретический анализ // Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - вып.2(6). - С. 296 - 299.

Смирнова Е.Г., Титарь С.С., Тростянецкий Л.М. Состояние, перспективы применения и развития теплонасосных технологий в промышленности и быту // Придніпровский науковий вісник. - вересень 1998. - №83(150) - С. 90 - 100.

Тростянецкий Л.М., Дорошенко А.В., Денисов Ю.П., Комбінована система атономного постачання (рішення НДЦПЕ по зявці №98084425 від 13.08.1998 на патент Украіни).

Анотація

Тростянецький Л.М. Комбіновані теплонасосні установки на основі побутових кондиціонерів типу ПК. -Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 15.14.04 - промислова теплотехніка. - Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1998.

Досліджено проблеми експериментального і математичного моделювання теплонасосних установок на основі реконструйованих побутових кондиціонерів типу ПК (ПК - 1500, ПК - 2500 тощо) і рідинних систем теплопостачання, в тому числі традиційних систем опалення, і т.д. В математичних моделях температурних режимів і енергетичної ефективності ТНУ, на відміну від славетних методик, ураховуються статичні характеристики теплообмінних апаратів і парокомпресійних машин. Розглядаються різні альтернативні щодо застосування ТНУ варіанти усунення дефіциту теплопостачання та встановлюються зони й умови кращого застосування ТНУ. Безпосереднє зіставлення результатів експериментального математичного моделювання підтвердило адекватність теоретичного аналізу.

Експериментально й теоретично доведено ефективність реконструкції побутових кондиціонерів типу ПК та їх трансформацій в індивідуальні ТНУ. Визначено найкращі технологічні рішення такої реконструкції.

Аннотация

Тростянецкий Л.М. Комбинированные теплонасосные установки на основе бытовых кондиционеров типа БК. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технический наук по специальности 15. 14. 04 - промышленная теплотехника. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1998.

Исследуются проблемы экспериментального и математического моделирования теплонасосных установок на основе реконструированных бытовых кондиционеров типа БК (БК-1500, БК-2500 и т.п.) и жидкостных систем теплоснабжения, в том числе традиционных систем отопления. гелиосистем и т.д. В математических моделях температурных режимов и энергетической эффективности ТНУ, в отличии от известных методик, учитываются статические характеристики теплообменных аппаратов и парокомпрессионных машин. Рассматриваются разные альтернативные применению ТНУ варианты покрытия дефицита теплоснабжения и устанавливаются зоны и условия предпочтительного применения ТНУ. Прямое сопоставление результатов экспериментального и математического моделирования подтвердило адекватность теоретического анализа.

Экспериментально и теоретически доказана эффективность реконструкции бытовых кондиционеров типа БК и их трансформации в индивидуальные ТНУ. Определены наилучшие технологические решения такой реконструкции.

Summary

Trostjanetsky L.M. The Combined heat pump installations on the domestic conditioners type BC base - Manuscript.

The dissertation for scientific degree of technical sciences on the speciality 15. 14. 04 - Industrial thermal engineering. - Odessa State Polytechnical University, Odessa, 1998.

The experimentation and mathematical modelling of heat pump installations on the domestic reconstructed conditioners and liquid heating systems base are studied in the work, including traditional heating systems, liquid solar systems etc. cases.

The vapor-compression machines and heat exchangers stationary regimes were taken into account in the heat pump installations temperature regimes and energy efficiency mathematical models. It is one of the work important distinction in comparison with traditional approach.

The experimental and mathematical modelling results direct comparison confirmed the theoretical analysis to be adequate.

It was grounded experimentally and theoretically the known domestic conditioners BK-1500, 2500 etc. transformation into heat pump installations to be efficient. This reconstruction the best technological decisions were determined.

Размещено на Allbest.ru

...