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 - невысокое давление конденсации 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
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 Ти и конденсации Тк 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 tк =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: tи =-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 µэ 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
Коэффициент преобразования теплоты идеального парокомпресионного цикла Карно
Идеальный КПЭ Отношение реального и идеального коэффициентов преобразования теплоты называют КПД теплового насоса
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
где Удельные затраты электроэнергии на единицу переданной теплоты являются величиной, обратной Для эффективной работы насоса с электроприводом должно выполняться условия 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 = где 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 = или ПЭ =
где Приняв средние значения КПД, получаем ПЭ Поэтому тепловой насос будет экономичней самого эффективного водогрейного котла, имеющего КПД 0,85, при Если в качестве привода теплового насоса используется дизель, КПД которого ПЭ = то есть применение дизеля выгодней, чем электродвигателя (при сбалансированных ценах на топливо и электроэнергию).
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|