Моделирование и экспериментальное исследование теплонасосных установок на низкокипящих рабочих телах

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Моделирование и экспериментальное исследование теплонасосных установок на низкокипящих рабочих телах

Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%.

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм составляет одну аварию в год на l км длины, а для труб меньшего диаметра - около шести аварий.

Перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов отопления.

Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-30°C) природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Тепловые насосы, в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение зарубежом. Если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн., в Западной Европе 0,15 млн., то в 2006 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 40 млн., а их ежегодный выпуск составляет более 1 млн. шт. Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу Мирового энергетического комитета, к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 %.

Наиболее широкое применение тепловой насос нашёл в домашнем теплоснабжении и кондиционировании воздуха, в особенности в США, где требуется круглогодичное кондиционирование: охлаждение в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос, решающий обе задачи, выпускается уже более 30 лет и является экономичным и надежным.

Поскольку эффективность теплового насоса сильно зависит от температуры конденсации, для тепловых насосов желательно снижение температуры распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например, с помощью панелей в полах, станет пригодной для отопления температура теплоносителя 50° С. Повышение расхода циркулирующего воздуха позволяет снизить его температуру до 35°С. Практическая реализация этих тенденций в новых зданиях сможет радикально изменить отношение к тепловым насосам.

В России внедрение теплонасосных установок идет достаточно сложно. В основном устанавливаются машины большой мощности (100 - 1000 кВт), в данный момент разрабатываются агрегаты мощностью в 20 МВт. Подобная тенденция обусловлена желанием получить сразу значительный экономический эффект и ориентацией на существующее холодильное оборудование.

Главной проблемой при внедрении мощных ТНУ является то, что в случае недостаточно глубокой проработки схемного решения, неудачного выбора параметров источника и потребителя теплоты и рабочего тела машина не имеет нужной эффективности. Получение «отрицательного результата» при внедрении ТНУ вызывает у «Заказчика», чаще всего, реакцию резкого неприятия данного типа установок «в принципе». Чтобы избежать подобных последствий требуется значительная и тщательная предпроектная подготовка (проработка) каждого теплонасосного агрегата и привязка его к месту эксплуатации.

Кроме того, тарифная политика энергетиков (соотношение стоимости электрической и тепловой энергии) снижает финансовый эффект от внедрения тепловых насосов. Законы, стимулирующие внедрение высокоэффективных энергетических установок в России, к сожалению, не действуют. Незначительное распространение систем электрического отопления и горячего водоснабжения заставляет перспективные разработки конкурировать с системами прямого сжигания газа, что приводит к еще большему усложнению конкуренции между различными способами нагрева.

В связи с этим существенный интерес представляют исследования технико-экономических характеристик теплонасосных установок с целью разработки методик, повышающих их эффективность.

Объект исследования - парокомпрессионные теплонасосные установки, работающие на низкокипящих рабочих телах.

Предмет исследования - теплофизические и технико-экономические характеристики парокомпрессионной теплонасосной установки.

Цель диссертационного исследования - моделирование и расчетно-аналитические и экспериментальные исследования теплофизических и технико-экономических характеристик парокомпрессионных теплонасосных установок в зависимости от различных внешних условий.

Для достижения поставленной цели были определены и последовательно решались следующие задачи:

1. Выявить основные технико-экономические показатели, используемые для оценки эффективности работы парокомпрессионных теплонасосных установок.

2. Определить основные внешние показатели, влияющие на эффективность парокомпрессионных теплонасосных установок.

3. Адаптировать программный комплекс «Поток» для расчета парокомпрессионных теплонасосных установок (модифицировать модель расчета теплообменного аппарата с учетом фазовых превращений и расширить расчетный комплекс моделью расчета дроссельного устройства).

4. Разработать методику расчета и вычислительную модель парокомпрессионных теплонасосных установок в программном комплексе «Поток».

5. Выполнить идентификацию вычислительной модели парокомпрессионной теплонасосной установки в программном комплексе с использованием результатов экспериментальных исследований.

6. Провести расчетно-аналитические исследования теплофизических характеристик в зависимости от внешних параметров.

7. Выполнить технико-экономическое исследование экономической эффективности применения парокомпрессионных теплонасосных установок в зависимости от их эффективности.

8. Разработать рекомендации для повышения эффективности парокомпрессионных теплонасосных установок.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования явились труды отечественных и зарубежных авторов, посвященные математическому моделированию теплонасосных установок (Е.И. Янтовский, В.С. Мартыновский), сравнению эффективности различных циклов (Рейд Майкл, В.С. Мартыновский) и технико-экономическому расчету применения крупных теплонасосных установок (А.В. Быков, Е.М. Бамбушек).

В работе использовались справочные материалы по тепло- и электроснабжению ОАО «Татэнерго» Республики Татарстан.

Достоверность исследований. Результаты аналитических расчетов теплофизических характеристик парокомпрессонных ТНУ сопоставлялись с полученными экспериментальными данными Автора и результатами исследований известных ученых в области тепловых насосов (А.А. Гоголин, Н.Н. Кошкин). Результаты расчетов технико-экономических характеристик парокомпрессонных ТНУ сопоставлялись с данными специалистов в области технико-экономического анализа применения ТНУ (А.В. Быков, Е.М. Бамбушек), а также технико-экономическая модель расчета была успешно опробована в договоре №39-4/06/1 03.05.2006 г. на проведение технико-экономического обоснования усовершенствования системы теплоснабжения районного центра Актаныш РТ.

Теоретическая значимость работы. Полученные автором результаты и методики могут быть использованы проектными и научно-исследовательскими организациями при проектировании и технико-экономическом расчете новых парокомпрессионных теплонасосных установок, а также при модернизации уже существующих. Кроме того, полученные автором результаты могут быть использованы внедренческими энергетическими предприятиями на стадии предпроектной проработки систем теплоснабжения с применением ТНУ. Отдельные разделы работы целесообразно использовать в учебном процессе вузов при подготовке инженеров по специальностям 140105 «Энергетика теплотехногий» и 160304 «Авиационная и ракетно-космическая теплотехника».

Практическая ценность работы. Разработанная методика позволила уточнить реальные характеристики теплонасосных установок в проектах модернизации систем теплоснабжения ОАО «КамАЗ» и подтверждена полученными экспериментальными данными, а также результатами выполнения хоздоговоров №39-4/06/1 от 03.05.2006 г. и № 10-07 от 05.03.2007 г.

Положения, выносимые на защиту:

? методика и вычислительная модель парокомпрессионной теплонасосной установки в программном комплексе «Поток»; уточняющая теплотехнические параметры ТНУ, а также учитывающая особенности работы ТНУ на нерасчетных режимах;

? модифицированный программный комплекс «Поток» с уточненной моделью расчета теплообменного аппарата с учетом фазовых превращений и моделью расчета дроссельного устройства.

? уточненная полуэмпирическая формула для расчета коэффициента преобразования парокомпрессионной теплонасосной установки в зависимости от разности температур испарения и конденсации рабочего тела;

? полуэмпирическая формула, учитывающая отклонение параметров парокомпрессионной ТНУ от номинальных при отклонении от расчетных режимов работы установки.

? рекомендации по проектированию и применению парокомпрессионных теплонасосных установок для целей теплоснабжения различных объектов.

Научная новизна:

? Получены аппроксимационные зависимости термодинамических свойств рабочих тел от температуры p(t), h (p.t), s(p,t), r(t), c(t)).

? Получена модифицированная формула Мартыновского В.С. для расчета коэффициента преобразования в зависимости от температурных режимов.

? Получена полуэмпирическая зависимость тепловой нагрузки теплообменных аппаратов от расхода теплоносителя на нерасчетных режимах работы.

? Адаптирован программный комплекс «Поток» для расчета теплотехнических параметров парокомпрессионных теплонасосных установок.

? Разработаны математическая модель расчета теплообменных аппаратов с учетом фазовых превращений и математическая модель дроссельного устройства для программного комплекса «Поток».

? Разработана методика расчета парокомпрессионной теплонасосной установки в программном комплексе «Поток».

? Разработаны рекомендации для проектирования парокомпрессионных теплонасосных установок.

? Произведено технико-экономическое сравнение различных методов теплоснабжения.

Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на:

? Ежегодных международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (г. Казань, 2004-2005 г.);

? Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию Ф.З. Тинчурина (г. Казань, 12-14 декабря 2006 г.)

? Четвертой международной научно-технической конференции. (г. Вологда, октябрь 2004 г.)

? Научно-практической конференции «Эффективная энергетика» (г. Казань, 12-14 октября 2004 г.)

? IV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова (г. Казань, 28-29 сентября 2004 г.)

? Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования» (г. Казань, 18-19 декабря 2003 г.).

Публикации результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, две из которых в изданиях ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Основной текст изложен на 155 страницах, диссертация содержит 47 рисунков, 11 таблиц, список использованных источников включает 113 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, научная и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены основные проблемы теплоснабжения и эффективности выработки тепловой энергии, кроме того, приведен обзор различных конструктивных решений и примеров внедрения парокомпрессионных теплонасосных установок как в России, так и за рубежом. Выполнен анализ источников низкопотенциальной теплоты для ТНУ и свойств рабочих тел, используемых в данных установках. Сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе рассмотрены различные схемы теплонасосных установок, методики расчета данных установок. Приведена методика термодинамического расчета цикла теплонасосной установки с определением теплофизичеких параметров рабочих тел и диаграммы состояния. Основным недостатком традиционной методики расчета является снятие параметров состояния с диаграмм вручную, что является достаточно трудоемкой операцией и снижает точность расчетов. (рис. 1.)

Рис. 1. p-i диаграмма состояния фреона R22.

парокомпрессионный теплоснабжение установка

Для снижения трудоемкости вычислений и повышения их точности автором разработана методика определения параметров состояния рабочих тел с использованием аппроксимационных зависимостей основных термодинамических параметров от температуры Cp(t), r(t), p(t) для различных низкокипящих рабочих тел, которая интегрирована в расчетный комплекс «Поток». Апgроксимационные зависимости основных термодинамических параметров состояния для фреона R22:



Совпадение результатов расчета термодинамических свойств по данным аппроксимационным зависимостям, разработанным автором, с экспериментальными данными составляет 99,9%.

В расчетах теплообменных аппаратов и дроссельных устройств теплонасосных установок для повышения точности вычислений энтальпии и энтропии производится учет реального состояния газов за счет использования следующих уравнений:

где: С_Р0(Т), h₀(T) - теплоёмкость и энтальпия идеального газа, s₀(р₀,Т) - энтропия газа при давлении р₀ и температуре Т, р₀ - некоторое давление, при котором газ можно считать идеальным, v - величина удельного объёма газа (реального) при давлении р и температуре Т.

Для расчёта разности между значениями термодинамических параметров реального и идеального газа необходима зависимость v = F(p,T) для реального газа, которая позволяет найти все необходимые производные и интегралы в уравнениях (4) и (5). Для упрощения расчётов предварительно рассчитываются добавки ДC_Р(p,T), Дh(p,T), Дs(p,T), производится их аппроксимация как функции р и Т и затем они используются при расчёте параметров реальных газов.

Для расчёта удельного объёма и плотности реального газа этот объём можно также представить в виде суммы: v= RT/p +Дv(T,p), где первое слагаемое - это удельный объём идеального газа, а второе - добавка, связанная с учётом его реальных свойств. Величина добавки зааппроксимирована как функция р и Т.

Разработаны уточненная математическая модель и алгоритм расчета процессов в теплообменных аппаратах теплонасосных установок с учетом фазовых превращений рабочих тел, которые включают в себя следующие основные расчетные уравнения:

- Уравнения баланса:

где: F = m/м - общее количество молей смеси, G =m_G/м_G -количество молей газовой фазы, L = m_L/м_L -количество молей жидкой фазы, м, м_G, м_L -молекулярные веса смеси, газа, жидкости, = z_i/F - относительное число молей i-ого компонента смеси, = x_i/G - относительное число молей i-ого компонента газа, = y_i/L - относительное число молей i-ого компонента жидкости, z_i, x_i, y_i - количество молей i-ого компонента в смеси, в газе, жидкости.

- Уравнение фазового равновесия:

где P_{S i} -давление насыщенных паров i-ого компонента при температуре Т.

- Уравнения неразрывности:

,	(8)

где n - количество компонентов в смеси.

Эта система уравнений позволяет определить состав газовой и жидкой фаз исходной смеси компонентов при заданных значениях давления р и температуры Т:

.	(9)

Если обе части уравнения (9) разделить на F, ввести обозначение E = G/F и решить (9) относительно , то получим:

.	(10)

Используя (7) и (10), получаем соотношения:

,	(11)

из (8) следует и соответственно:



Если вместо мольных долей с использованием формулы

,

где m_i/m, а _i - молекулярный вес газа, ввести массовые доли компонентов, то получится следующее уравнение с одной неизвестной величиной Е:

.	(13)

Величина Е может изменяться в диапазоне 0 Е 1. Если Е 1, то G = F - смесь состоит только из газа. Если Е 0 , то G = 0 - смесь состоит только из жидкости.

После численного решения уравнения (13) находятся величина Е и значения G = E•F и L= F-G. По уравнениям (11) и (10) определяются мольные доли всех составляющих газовой и жидкой фаз, а затем и их массовые значения по уравнениям:

Далее определяется суммарный массовый расход жидкой и газовой фазы:

	(15)

и массовые доли каждой из составляющих:

	(16)

После этого можно рассчитать энтальпия смеси веществ, входящих в состав жидкой фазы. С этой целью по принятым аппроксимационным зависимостям находятся энтальпии веществ при температуре Т и давлении Р, входящих в состав жидкой фазы (при условии их газообразного состояния). По индивидуальным энтальпиям и массовым долям составляющих вычисляется энтальпия смеси Н_G. Для этой же смеси по аппроксимационным зависимостям находится теплота парообразования RL, как функция температуры Т. Энтальпия жидкой фазы в этом случае будет равна: H_L=H_G - RL.

На основе данной методики разработаны алгоритм расчета и расчетный модуль для программного комплекса «Поток». Структурная схема данного алгоритма приведена на рис. 2. Применение данного алгоритма для расчета испарителей и конденсаторов теплонасосных установок позволило существенно увеличить (до 10%) точность расчетов их теплофизических параметров.

Для расчета ТНУ в программном комплексе «Поток» разработана вычислительная модель теплонасосной установки, которая представлена на рис. 3.



Рис. 2. Алгоритм расчета теплообменного аппарата с учетом фазовых превращений в программном комплексе «Поток».

Рис.3. Принципиальная схема расчета ТНУ.

При расчете ТНУ применен метод проверки сходимости энергетического баланса установки. После вычисления теплофизических параметров всех устройств, входящих в состав ТНУ, выходные параметры должны совпадать с начальными на величину заданной погрешности вычислений.

Начальные параметры заданы для входа в компрессор, обозначенного в вычислительной модели через код 0101, после чего фреон всасывается в компрессор - 2601, после чего фреон поступает в конденсатор 2301, где, конденсируясь, нагревает теплоноситель 0102 от температуры Т_квх до температуры Т_квых. Затем фреон дросселируется в терморегулирующем вентиле 3301 и попадает в испаритель 2302, где фреон, испаряясь, забирает тепло низкопотенциального источника 0103, охлаждая его от температуры Т_ивх до температуры Т_ивых. После чего температура и давление на выходе из конденсатора уточняется путем введения невязки, и расчет повторяется до достижения необходимой точности.

Шифр каждого узла представляет восьмиразрядное целое число ABCDEFKL, где: AB - тип узла , CD - номер узла данного типа, EF- номер контура, в котором работает узел, KL - номер вала, связанного с узлом. Если тип узла определяется однозначной цифрой, то разряд A отбрасывается. Кроме того, назначение разрядов EF и KL для некоторых узлов имеет другой смысл, или они заполняются нулями. Незначащие нули в конце обозначения опускаются.

В третьей главе представлено описание экспериментального стенда, предназначенного для исследования теплофизических параметров ТНУ, используемых, в том числе, и для идентификации разработанной вычислительной модели в программном комплексе «Поток».

Стенд разработан на основе парокомпрессионной теплонасосной установки с поршневым компрессором 1АК6-1-2 ПБ10В мощностью 3,5 кВт, оборудованной водяным конденсатором площадью 2,88 м2 и воздушным испарителем площадью 16,55 м2. Стенд оснащен системой датчиков и приборов, с помощью которых фиксируются параметры работы ТНУ. На основе показаний этих приборов составляются балансовые уравнения основных устройств, входящих в состав установки, и определяются основные показатели эффективности работы ТНУ. Источником низкопотенциальной теплоты для ТНУ служит атмосферный воздух, а тепловая энергия используется для нагрева горячей воды в системе горячего водоснабжения.

На входе и выходе каждого устройства, входящего в состав ТНУ, установлены датчики давления P и температуры t, кроме того, на контуре рабочего тела, источника низкопотенциальной теплоты и ГВС установлены приборы измерения расхода. На электродвигателе измеряются электрические параметры: ток, напряжение, мощность.

В качестве датчиков давления выбраны манометры точных измерений МТИ1216, температура измеряется хромель-копелевыми термопарами, подключенными к восьмиканальному измерителю-регулятору температуры ТРМ 138. Для измерения теплового потока воды в конденсаторе используется теплосчетчик СТ-10, а расход воздуха находится с помощью трубки Пито-Прандтля, подключенной к расходомеру РМ-1. Мощность электродвигателя определяется по показаниям ваттметра Ц301/1.1.

Принципиальная схема стенда представлена на рис. 4., а внешний вид - на рис. 5.

В ходе экспериментальных исследований температура источника низкопотенциальной теплоты (атмосферный воздух) изменялась в интервале от 15 до 25^оС, расход воздуха изменялся от 0 до 0,8 кг/с. Начальная температура воды для ГВС изменялась в пределах 5-10^оС, расход воды изменялся от 4 л/мин до 30 л/мин (0,067 кг/с до 0,5 кг/с). В результате температура ГВС изменялась от 8^оС до 55^оС, а температура воздуха на выходе из испарителя - от -20^оС до 13^оС.

Суммарная относительная погрешность определения теплофизических параметров на экспериментальном стенде не превышает 6%.



Рис.4. Принципиальная схема стенда

Рис.5. Внешний вид экспериментального стенда

В четвертой главе приводятся основные результаты расчетно-аналитических и экспериментальных исследований теплотехнических и технико-экономических характеристик парокомпрессионных теплонасосных установок в зависимости от внешних условий.

Наиболее значимый результат по оценке эффективности ПТНУ получен полуэмпирическим путем Мартыновским В.С., формула которого записывается в следующем виде:



По результатам исследований Кошкина Н.Н. и Гоголина А.А. для ТНУ на базе компрессоров А110 и П80 на фреоне R22, их сделаны следующие выводы:

- полуэмпирическая формула (17) дает заниженные значения коэффициентов преобразования приблизительно на 30-35% по сравнению с экспериментом;

- традиционная методика с использованием диаграмм состояния дает завышенные значения коэффициента преобразования на 38%.

Автором по результатам обработки собственных данных, данных Мартыновского, Кошкина, Гоголина получена модифицированная формула для расчета коэффициента преобразования ТНУ, повышающая точность расчетов ц на 30%:

Результаты расчетов коэффициента преобразования ТНУ в зависимости от температуры конденсации рабочего тела t_к при заданных значениях температуры испарения рабочего тела t_и по формуле Автора представлены на рис. 6.

Расчеты теплотехнических параметров ТНУ проводятся для случая номинального режима работы, реальные режимы работы существенно отличаются от номинального. Кроме того, расчеты выполняются для определенного типа оборудования и рабочих тел в ТНУ, в случае замены оборудования и рабочих тел реальные параметры значительно отличаются от расчетных. Расход теплоносителя у потребителя изменяется в зависимости от потребности в тепловой энергии.

Для учета реальных режимов работы ТНУ автором получена зависимость отклонения реального теплового потока Q, получаемого потребителем с ТНУ, от номинального в зависимости от отклонения величины реального расхода теплоносителя у потребителя от расчетного (номинального).

Результаты экспериментальных исследований Автора и расчетов по полученной зависимости представлены на рис. 7.

Результаты расчетов по формуле (19) хорошо совпадают с экспериментальными данными Автора, отклонение не превышает 7%.

Рис.6. Коэффициент трансформации в зависимости от перепада температур конденсации и испарения.



Рис.7. Зависимость отклонения тепловой мощности теплообменного аппарата в зависимости от отклонения расхода теплоносителя в нем.

Зависимость коэффициента преобразования ТНУ от разности температур испарения и конденсации, приведенная на рис. 8, показывает, что результаты расчетов, полученные с использованием предлагаемого программного комплекса и по аппроксимационной формуле автора (18), хорошо совпадают (в пределах 5%) с результатами экспериментальных исследований автора, что позволило провести идентификацию математической и расчетной моделей ТНУ.

Рис. 8. Проверка адекватности вычислительной модели в ПК «Поток».

На рис. 9. представлен сводный график расчетных и экспериментальных зависимостей коэффициента преобразования ц ТНУ от температуры испарителя t_и. Расчеты и эксперименты проводились при температуре конденсации t_к=50^оС.

Рис.9. Зависимость коэффициента преобразования при температуре конденсации хладагента 50^оС.

В диапазоне температур t_и от -40^оС до +25^оС характер изменения всех зависимостей логарифмический. Поле экспериментальных значений ц укладывается между расчетными данными, полученными по диаграммной методике и полуэмпирической формуле Мартыновского В.С., и находятся в диапазоне от 1,7 до 2,2 при температуре испарения -30^оС и от 4 до 5,2 при температуре испарения 10^оС. Минимальные значения коэффициентов преобразования дают расчеты по полуэмпирической формуле Мартыновского В.С. и максимальные значения получаются по традиционной методике. Расчеты по модифицированной Автором формуле Мартыновского В.С. и ПК «Поток» хорошо совпадают с экспериментальными данными и между собой. Отклонения в результатах расчетов не превышают 2%.

На рис. 10. представлен сводный график зависимостей коэффициента преобразования ТНУ от температуры конденсации t_к рабочего тела при фиксированном значении температуры испарения t_и = -10^оС.



Рис. 10. Зависимость коэффициента преобразования при температуре испарения хладагента -10^оС.

При совпадающем характере зависимостей с уменьшением температуры испарения рабочего тела от 0^оС до -10^оС средние значения коэффициента трансформации уменьшается от 1,14 до 0,88 при t_к = 100^оС, и от 5,17 до 4,84 при t_к = 30^оС. Кроме того, расчетные данные, полученные в ПК «Поток», хорошо ложатся в поле сводного графика, хотя и имеют темп роста ниже, чем у всех остальных зависимостей.

Особый интерес представляет для разработчиков теплонасосных установок изменение теплотехнических характеристик ТНУ в зависимости от различных рабочих тел, используемых в конкретных установках. Автором выполнен расчет по традиционной методике с использованием диаграмм состояния рабочих тел для фреона 12 и фреона 22 для экспериментального стенда, результаты которого представлены на рис. 11.

Автором получена графическая зависимость коэффициента преобразования ТНУ с компрессорным агрегатом 4ПБ14 от температуры конденсации при фиксированном значении температуры испарителя t_и = -20^оС. С уменьшением температуры конденсации от 75^оС до 30^оС коэффициент преобразования ТНУ возрастает от 1,3 при t_k = 75^oC до 2,49 при t_k = 30^oC для R12, а для R22 коэффициент преобразования возрастает от 1,9 при t_k = 75^oC до 3,8 при t_k = 30^oC.

Получена подобная графическая зависимость для коэффициента преобразования ТНУ от температуры испарения t_и при фиксированном значении температуры конденсации t_k = 50^oC для фреонов R12 и R22, которая представлена на Рис. 12.

Рис. 11. Зависимость коэффициента преобразования от температуры конденсации для R12 и R22

Рис. 12. Зависимость коэффициента преобразования от температуры испарения для R12 и R22.

С увеличением температуры испарения от -20^оС до 20^оС коэффициент преобразования ТНУ возрастает от 1,98 при t_и = -20^oC до 4,7 при t_и = 30^oC для R12, а для R22 коэффициент преобразования возрастает от 3,1 при t_и = -20^oC до 9,5 при t_и = 30^oC.

Расчеты зависимостей коэффициента преобразования ТНУ ц от t_и и t_k проводились с применением системы обработки данных Mathcad Proffessional 2001. Кроме того, были выполнены технико-экономические расчеты для теплоснабжения объекта различными локальными энергетическими установками. Результаты расчетов приведены в таблице 1. Расчет теплонасосной установки был проведен при коэффициенте преобразования 3,5. Из таблицы видно, что при существующих тарифах на тепловую и электрическую энергию применение ТНУ с электроприводом нерентабельно. Наиболее эффективно для теплоснабжения использовать котельную установку. ТНУ с приводом от газопоршневого двигателя потребляет в 2 раза меньше газа, чем блочная котельная установка и доля стоимости топлива в текущих затратах минимальна.

Таблица. Сравнение экономической эффективности различных установок.

Это означает, что при повышении тарифов на энергоносители её технико-экономические характеристики по сравнению с другими видами установок улучшатся. ТНУ с газопоршневым приводом является наиболее перспективной установкой для локального теплоснабжения среди рассмотренных.

Из рис. 13 и рис. 14 можно сделать вывод: применение в России в условиях централизованного теплоснабжения ТНУ с электрическим приводом с коэффициентом преобразования меньше 8 нерентабельно, а коэффициент преобразования 8 достигается при перепаде температур 20^оС, что возможно при работе только в технологическом процессе.

Рис. 13. Себестоимость выработки тепловой энергии теплонасосных установок с электрическим и газопоршневым приводом.



Рис. 14. Срок окупаемости теплонасосных установок с электрическим и газопоршневым приводом.

Применение ТНУ с газопоршневым приводом более целесообразно - они становятся экономически эффективными при коэффициенте преобразования 4.

Выводы

парокомпрессионный теплоснабжение установка

1. Разработана уточненная методика расчета теплофизических параметров парокомпрессионных теплонасосных установок с использованием аппроксимационных уравнений (получены аппроксимационные зависимости для термодинамических свойств рабочих тел ТНУ - p(t), h (p.t), s(p,t), r(t), c(t)).

2. Модифицирован и адаптирован для расчета парокомпрессионной теплонасосной установки программный комплекс «Поток» (разработаны математические модели теплообменного аппарата с фазовыми переходами, дросселя)

3. Разработана вычислительная модель парокомпрессионной теплонасосной установки и проведено численное исследование зависимостей теплотехнических параметров ТНУ от внешних параметров и видов рабочих тел.

4. Создан экспериментальный стенд и проведены экспериментальные исследования теплотехнических характеристик ТНУ.

5. Получена модифицированная формула для определения эффективности ТНУ с повышенной точностью теплотехнических расчетов.

6. Получена полуэмпирическая формула учета влияния внешних условий на эффективность работы ТНУ.

7. Разработаны рекомендации для проектирования и применения парокомпрессионных теплонасосных установок.

Список публикаций

1. Ермаков А.М. Схемные решения различных схем теплонасосных установок. /Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф., Гуреев М.В., Ермаков А.М. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - Казань, 2007. - № 1 - С. 10-11.

2. Ермаков А.М. Технико-экономический анализ высокоэффективной теплогенерирующей ПТНУ с приводом от газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20-200. / Гельманов Р.Р., Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Ермаков А.М. // Международная научно-техническая конференция, посвященная 80-летию Ф.З. Тинчурина. - Казань, 2006. - С. 30-33.

3. Ермаков А.М. Расчёт теплообменных аппаратов, работающих с фазовыми изменениями рабочих сред. / Гуреев В.М., Гортышов Ю.Ф., Ермаков А.М., Мац Э.Б., Ныров А.Н. // Авиационная техника - Казань, 2006 №4. - С. 44-46.

4. Ермаков А.М. Разработка математической модели парокомпрессионной теплонасосной установки с газомоторным приводом. / Гуреев В.М., Ермаков А.М. // Четвертая международная научно-техническая конференция. - Вологда, 2004. С. 172-17.

5. Ермаков А.М. Разработка стенда теплонасосной установки на низкокипящих рабочих телах для исследования зависимостей её теплофизических характеристик от внешних условий. / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Ермаков А.М. // Труды IV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова. - Казань, 2004. - С. 345-351.

Размещено на Allbest.ru

...