Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Рабочие вещества тепловых насосов

В качестве рабочего тела в данных машинах используются хладоны – в основном фторхлорсодержащие углеводороды, так называемые фреоны.

Рабочие тела парокомпрессионных тепловых насосов могут быть представлены в виде следующих веществ (или смеси веществ), обладающими совокупностью приведенных ниже основных свойств:

- низкая нормальная (при атмосферном давлении) температура кипения и испарения , благоприятно способствующая процессу испарения при подводе низкопотенциальной теплоты (при конкретной температуре окружающей среды) происходил при давлении (немного превышающем атмосферное, для предотвращения подсоса воздуха в контур рабочего тела);

- невысокое давление конденсации при требуемой температуре нагрева, которое способствует упрощению конструкции компрессора, определяемые степенью сжатия , прочностные требования к компрессору, конденсатору, охладителю конденсата и соединительным трубопроводам и уменьшить потери эксергии, зависящие от приближения параметров конденсации к критическим параметрам р_кр, t_кр.

Рабочие вещества тепловых насосов должны удовлетворять экологическим требованиям (Киотское и Монреальское соглашения), а с другой стороны обладать высокими термодинамическими свойствами.

Весьма эффективным в термодинамическом отношении рабочим телом является аммиак NН₃, который находит широкое применение в холодильной технике. Но аммиак токсичен, горюч и взрывоопасен, а также обладает коррозионной активностью к цветным металлам аммиак, поэтому его заменяют все больше фреонами.

Фреоны являются галоидными соединениями насыщенных углеводородов парафинового ряда, в основном, метана СН₄, этана С₂Н₆, а также пропана С₃Н₈ и бутана С₄Н₁₀. Они получены замещением атомов водорода атомами фтора, хлора и брома.

Фреоны легче воздуха и обладают высокой устойчивостью. При утечке из холодильных агрегатов, кондиционеров и тепловых насосов они поднимаются в верхние слои атмосферы на высоту 15–50 км и там разлагаются под действием ультрафиолетового излучения. Выделяющийся атомарный хлор взаимодействует с озоном и это приводит к разрушению озонового слоя Земли.

Все фреоны принято подразделять по степени озоноопастности на три группы (таблица 10.1).

Таблица 10.1- Классификация фреонов по степени

Группа	Характеристика	Фреоны
Хлорфторуглероды ХФУ (СFC)	Высокая озоноразрушающая активность	R11, R12, R13, R113, R114, R115,R500, R502, R503, R12B1, R13B1
Гидрохлорфторуглероды ГХФУ(НСFC)	низкая озоноразрушающая активность	R21, R22, R141b, R142b, R123, R12
Гидрофторуглероды ГФУ(НFC), фторуглероды ФУ(FC), углевороды (НС)	озонобезопасные	R134, R134a, R152a, R143a, R125,R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

Недостатком озонобезопасных фреонов является их большая стоимость (например, стоимость килограмма фреона R22 составляет $5, R410A – $33, R407С – $30), более высокие рабочие давления (соответственно 16, 26 и 18 бар), необходимость применения для смазки высокогигроскопических полиэфирных масел, а не минеральных. Большинство озонобезопасных фреонов представляют собой смесь из двух-трех компонентов. Поэтому они характеризуются неизотропностью, то есть при разгерметизации сначала испаряются более легкие компоненты и состав и свойства фреона изменяется. Поэтому даже в случае незначительной утечки, весь оставшийся хладагент необходимо полностью слить и заменить его новым.

С учетом термодинамических свойств, озонобезопасности и влияния на глобальное потепление в тепловых насосах возможно применение следующих фреонов:

– группа CFC: R11, R12, R12B1, R113, R114, R500;

– группа HCFC: R21, R22, R123, R124, R141b, R142b, R401a, R401b, R401c, R406a, R409a;

– группа HFC, FC: R134a, R152a, R290, R600, R600a, RC318.

Выбор рабочего тела для осуществления обратного термодинамического цикла Карно в тепловом насосе непосредственно влияет на КПЭ. Важным свойством фреонов является хладопроизводительность – теплота фазового перехода. Чем выше этот показатель, тем ниже будет расход фреона, а, значит, и стоимость теплообменников и компрессора.

11.2 Показатели энергетической эффективности работы

Парокомпрессионные тепловые насосы конструктивно аналогичны давно известным холодильным машинам. Термодинамические различия только в интервале рабочих температур испарения Т_и и конденсации Т_к рабочих агентов.

Основные элементы парокомпрессионных тепловых насосов -компрессор, испаритель, конденсатор, терморегулировочный вентиль и микропроцессор, управляющий режимом работы тепловых насосов (рисунок 11.1).

Рисунок 11.1 - Упрощенная схема парокомпрессионного теплового насоса

Тепловой насос в совокупности с вспомогательным оборудованием (гидравлические насосы, трубопроводы для подвода и отвода охлаждаемых и нагреваемых теплоносителей, системы энергопитания, контроля и регулирования) представляет собой теплонасосную установку ТНУ.

Теплонасосная установка в соответствии со схемой, показанной на рисунке 11.1 позволяет обеспечивать теплом потребителей на температурном уровне в конденсаторе t_к =45÷60 ºС. Источниками низкопотенциального тепла могут быть грунтовая вода, грунт, природные воды.

Низкопотенциальное тепло этих источников передается испарителю ТН, в результате теплообмена в испарителе поддерживается температурный диапазон: t_и =-5 ÷ 15 ºС.

Рабочим веществом (хладагент) ТНУ является фреон R407С, который по своим химическим свойствам конгруэнтен R22, считается озоно- и взрывобезопасным.

Для оценки эффективности работы теплового насоса используются коэффициенты преобразования теплоты µ и электроэнергии µ_э и удельные затраты электроэнергии Э и первичной энергии ПЭ на единицу полученной теплоты. Коэффициент преобразования теплоты m – это отношение теплоты, переданной горячему теплоносителю к работе, затраченной на сжатие определяется по выражению (11.1) или

(11.1)

Коэффициент преобразования теплоты идеального парокомпресионного цикла Карно является величиной, обратной термическому КПД цикла Карно:

(11.2)

Идеальный КПЭ наиболее высок при минимальной разнице между температурами испарения и конденсации (), то есть между температурами горячего и холодного теплоносителей. Так как парокомпресионный цикл Карно является обратимым, коэффициент определяет максимально возможный коэффициент преобразования теплоты при заданных температурах испарения и конденсации. Коэффициенты реальных тепловых насосов всегда меньше значения .

Отношение реального и идеального коэффициентов преобразования теплоты называют КПД теплового насоса :

. (11.3)

Энергетическую эффективность теплового насоса удобно оценивать с помощью p, h -диаграммы. На этой диаграмме значения q _и, q _к, q _по, l _сж соответствуют размеру проекций соответствующих процессов на ось абсцисс (рисунок 11.2). Поэтому коэффициент преобразования теплоты будет равен отношению разностей энтальпий (h ₂ – h ₃) и (h ₂ – h ₁).

Рисунок 11.2 – Энергетические потоки в идеальном парокомпрессионном тепловом насосе

Рассмотрим показатели эффективности тепловых насосов с учетом потерь энергии в приводах компрессоров. В качестве привода тепловых насосов в большинстве случаев используются электродвигатели. Эффективность такого насоса оценивается по соотношению потребленной электроэнергии и полученной теплоты. Коэффициент преобразования электроэнергии (в иностранной литературе называемый Coefficient of Performance или COP) – это отношение теплоты, переданной горячему теплоносителю к электроэнергии, подведенной к приводу - электродвигателю, по отношению к коэффициенту он дополнительно включает механические потери энергии в компрессоре и потери энергии в электродвигателе:

(11.4)

где – электромеханический КПД компрессора, обычно равен 0,9…0,95;

– КПД электродвигателя, равен 0,6…0,95.

Удельные затраты электроэнергии на единицу переданной теплоты являются величиной, обратной :

(11.5)

Для эффективной работы насоса с электроприводом должно выполняться условия > 1 или < 1. Если эти величины равны 1, то теплота, вырабатываемая тепловым насосом, становится равным теплоте, полученной при прямом использовании электроэнергии на обогрев, и применение теплового насоса теряет смысл.

Вместо электродвигателя в качестве привода компрессора могут использоваться паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и другие машины.

11.3 Экономичность работы теплового насоса по сравнению с работой котельной установки

Для оценки различных схем теплоснабжения применяется удельные затраты первичной энергии на производство теплоты ПЭ:

ПЭ = , (11.6)

где – энергия топлива, использованного для выработки теплоты;

– удельная тепловая нагрузка теплового насоса, это теплота, переданная горячему теплоносителю.

Чем больше величина ПЭ, тем система теплоснабжения менее эффективна. Для водогрейных котлов ПЭ равняется величине, обратной их КПД. КПД водогрейных котлов составляет не более 0,85, значит величина ПЭ – не менее 1,2.

Для тепловых насосов с приводом-электродвигателем электроэнергия вырабатывается при сжигании топлива на электростанциях, поэтому для них:

ПЭ = , (11.7)