Последняя цифра зачетной книжки

РАСЧЕТ ЦИКЛА ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Методические указания к самостоятельной работе для студентов, обучающихся по направлению «Агроинженерия»

 

 

Составители:

А.С. Корепанов.

 

 

Ижевск

ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА

2018

Тепловой насос

Главная проблема современной энергетики – не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка: еще задолго до того, как будут использованы все мыслимые ресурсы, разразиться экологическая катастрофа, которая превратит Землю в планету, совершенно не приспособленную для жизни человека.

Поэтому необходимо эффективно использовать энергию и при проектировании энергоснабжения объектов использовать экологически чистые установки. Больше использовать альтернативные виды энергии. Одной из перспективных установок является тепловой насос.

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамический тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Схема теплонасосной установки, использующей теплоту грунта, представлена на рисунке 1.1. Тепловоспринимающие полиэтиленовые коллекторы расположены в грунте горизонтально.

Более эффективной является схемное решение, приведенное на рисунке 1.2, в котором тепловоспринимающие коллекторы расположены вертикально. В большинстве случаев параллельно устанавливаются четыре трубы. По двум трубам теплоноситель течет вниз, по другим двум – вверх. Другой вариант решения – использование коаксиальных труб («труба в трубе»).

 

Рисунок 1.1. Схема теплонасосной установки с горизонтально расположенными в грунте коллекторами

Рисунок 1.2 Схема теплонасосной установки с вертикально расположенными в грунте коллекторами

 

 

Широко применяются теплонасосные установки, использующие в качестве источников теплоты геотермальную, а также воду рек, озер, морей. Одно из возможных схемных решений показано на рисунке 1.3. В схему включенэлектроподогреватель для повышения температуры теплоносителя направляемого в систему отопления при возникновении необходимости в дополнительной нагрузке.

 

Рисунок 1.3 Схема геотермального теплоснабжения с тепловым насосом и пиковым электроподогревом:

1- подземный коллектор;

2- погружной насос;

3 - эксплуатационная скважина;

4 - система утилизации газов и шлаков;

5 - газо- и шлакоотделитель;

6 - запорная арматура;

7 - тепловой насос;

8 - пиковый электроподогреватель;

9 - система отопления;

10 - система горячего водоснабжения;

11 - источник воды для горячего водоснабжения;

12 - теплообменник системы горячего водоснабжения;

 13 - сетевой насос; 14 - теплообменник системы отопления; 15 - нагнетательный насос; 16 - поглощающая скважина; 17 - статический уровень термальных вод.

 

Другое решение использования геотермальной воды в качестве источника теплоты для теплового насоса приведено на рисунке 1.4. Системой предусмотрена возможность обеспечить потребителей теплом с разным температурным потенциалом. Для энергетического анализа рассматриваемой системы построена диаграмма потоков эксергии – диаграмма Грассмана (рис. 1.5). Диаграммауказывает на место, где имеются потери, их удельный вес в эксергетическом балансе установки и является графической интерпретацией расчетов.

 

 Рисунок 1.4 Схема теплоснабжения от геотермальной воды с использованием теплонасосной установки:

1 - эксплуатационная скважина;

 2 - фильтр; 3 - теплообменники первой ступени системы теплоснабжения потребителей;

4,13 - потребители теплоты;

5 - теплообменники второй ступени; 6, 12, 15 - насосы;

7 - тепловой насос; 8 -испаритель теплового насоса; 9 - дроссельный клапан; 10 - конденсатор теплового насоса; 11 - компрессор;14 - котел; 16 - нагнетательная скважина;

--------- чистая вода; — · — · — охладитель

Рисунок1.5 Диаграмма Грассмана, построенная для схемы, показанной на рисунке 1.4

 

Если геотермальная вода очень минерализована (более 75 ч/л), то рекомендуется предусмотреть в системе еще один контур, предназначенный только для геотермальной воды(рисунок 1.6).

 

Рисунок 1.6 Схема, в которой предусмотрен промежуточный контур между источником теплоты и системы теплоснабжения:

1 - датчик температуры;

2,8 - датчики давления;

3- вентиль;4 - регулятор уровня воды в баке;

5 - регулятор расхода;

6 - испаритель;

7 - компрессор;

9 - конденсатор;

10 - в отопительную систему;

11 - детандер;

12, 13, 19, 21 - трубопроводы; 14 - теплообменник; 15 - датчик расхода; 16 - водяной слой; 17 - отбор воды; 18, 20 - насосы

 

Нарисунке 1.7 показана схема системы теплохладоснабжения с тепловым насосом, использующим низкопотенциальную теплоту солнечной энергии и природной воды (реки, озера и т.п.). В схему включен аккумулятор теплоты. Кроме того, предусмотрен преобразователь и накопитель энергии, для которого источником электрической энергии служат фотоэлектрические элементы.

 

Рисунок 1.7 Схема энергетического комплекса для систем тепло- и хладоснабжения с использованием альтернативных источников энергии:

1, 2, 3 - солнечный коллектор;

4 - теплоаккумулятор; 5 -теплонасосная установка; 6, 7 - воздушный и водяной испарители; 8 - блок преобразования и накопления энергии; 9 - река (озеро).

Используя схемы на рисунках 1.3 и 1.4 то есть схему теплоснабжения от геотермальной воды с использованием теплонасосной установки и пиковым электроподогревом.

Задача 1. Выполнить тепловой расчет цикла теплового насоса.

Вариант выбираем в соответствии с таблицей 1.

Исходные данные:

– холодопроизводительность (по варианту);

– температура кипения агента (по варианту);

– температура конденсации агента (по варианту).

Приведем для R 134а (по варианту) подробный тепловой расчет цикла (рис. 1.8):

процесс 1–2 – сжатие пара R 134а в компрессоре;

2–3 – конденсация паров агента в конденсаторе;

3–4 – переохлаждение жидкости в регенеративном теплооб­меннике (РТО);

4–5 –дросселирование агента;

5–6 – кипение жидкого R 134 a в испарителе;

6–1 – перегрев пара R 134a в РТО.

 

Рисунок 1.8 – Схема (а) и цикл (б) проектируемого теплового насоса:

1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – регенеративный теплообменник;

4 – дроссельный вентиль; 5 – испаритель

 

 

Таблица 1. Варианты по студенческому билету (Примечание: значение Q _о в кВт, температуры t_o и t _кон в ºС)

Вариант