Проектирование комбинированной системы теплоснабжения школы с применением теплового насоса

 

 

 

 

 

 

1 – конденсатор; 2 – дроссельный вентиль; 3 – испаритель; 4 – компрессор.

Рисунок 5.3 – Схема теплового насоса

 

Кроме того, во внутреннем контуре имеется:

• терморегулятор, являющийся управляющим устройством;
• хладагент, циркулирующий в системе (газ с определенными физическими характеристиками).

Хладагент под давлением через дроссельный вентиль поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель, в свою очередь, отбирает тепло у земляного контура, за счёт чего происходит его постоянное охлаждение. Компрессор засасывает из испарителя хладагент, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. Кроме того, в конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент отдаёт полученное тепло (температура порядка 85-125 ºС) в отопительный контур и окончательно переходит в жидкое состояние. Процесс повторяется вновь. При достижении необходимой температуры терморегулятор размыкает электрическую цепь, и компрессор останавливается. При понижении температуры в отопительном контуре терморегулятор вновь включает компрессор. Хладагент в тепловых насосах совершает обратный цикл Карно.

5.4 Выбор холодильного агента

 

Для эффективной  работы теплонасосной установки  выбор рабочего вещества имеет первостепенное значение.

Теплофизические свойства хладагента должны обеспечивать наилучший теплообмен и наименьшие потери давления в аппарате, т.е. хладагент должен иметь высокую теплопроводность и теплоемкость и низкую вязкость. Хладагент должен быть негорючим, нетоксичным, невзрывоопасным и химически нейтральным по отношению к материалам, из которых сделаны аппараты и трубопроводы. Весьма важным требованием является также низкая стоимость и доступность получения хладагента.

К конструкции теплообменных аппаратов предъявляются повышенные требования в отношении герметичности. Это обусловлено либо вредностью хладагента (аммиак), либо его высокой стоимостью (фреоны). Аммиак разъедает в присутствии влаги медь, бронзу, цинк и различные медные сплавы, к стали – инертен. Фреоны в обезвоженном состоянии инертны ко всем металлам, за исключением сплавов с содержанием меди. В теплонасосных машинах, использующих компрессоры со смазкой, в аппараты вместе с хладагентом попадает масло, действие которого необходимо учитывать при расчете аппарата.

Теплоотдача при кипении  и конденсации увеличивается  при прочих равных условиях с уменьшением  с уменьшением критической температуры  Т_кр и и уменьшается с ростом критического давления Р_кр. Близость параметров (Р и Т) к критическим напрямую влияет на величину теплоты парообразования r и в конечном счете определяет расход хладагента и нагрузку на компрессор при заданной тепловой мощности установки. Давление хладагента в контуре, с одной стороны, должно быть больше атмосферного, чтобы исключать возможность присосов воздуха, а с другой стороны, высокие давления после компрессора увеличивают расходы на электроэнергию для привода компрессора, увеличивается

 

 

 

расчетная толщина стенки аппаратов на линии конденсации  и увеличиваются расходы на герметичность конструктивных элементов.

Таблица 5.2 - Теплофизические свойства жидких хладагентов на линии насыщения [2]

Хладагент	t, °С	p, МПа	r, кДж\кг	λ, Вт\(м·°С)	ср, кДж\(кг·°С)	ν·10-6, м2/с	Kт.о.·10-3
Аммиак	20	0,86	1176	0,52	4,72	0,25	300
	60	2,61	986	0,45	5,15	0,19
R11	20	0,09	183	0,09	0,88	0,30	5
	60	0,31	167	0,08	0,92	0,23
R12	20	0,57	142	0,07	0,98	0,15	9
	60	1,52	115	0,06	1,11	0,11
R21	20	0,15	236	0,10	1,05	0,26	30
	60	0,52	211	0,09	1,08	0,22
R22	20	0,91	187	0,09	1,23	0,20	10
	60	2,42	140	0,07	1,53	0,19
R113	20	0,04	155	0,07	0,95	0,45	1
	60	0,15	146	0,06	1,01	0,30
R142	20	0,29	208	0,09	1,29	0,29	4
	60	0,89	175	0,07	1,36	0,23
RC318	20	0,27	105	0,07	1,10	0,30	7
	60	0,84	85	0,05	1,21	0,23

 

Среди приведенных в  таблице хладагентов наиболее распространены аммиак, R12 и R22. Аммиак обладает наилучшими теплотехническими свойствами. Однако высокие давления при заданных температурах испарения и конденсации, вкупе с ядовитостью аммиака и агрессивностью ко многим материалам не позволяют применять его в рассчитываемой задаче. Фреоны R12 и R22 также не попадают в приемлемый интервал давлений: R22 будет работать под разряжением, а R12 – под большим избыточным давлением. Теплота парообразования r  у этих фреонов несколько ниже, чем у других фреонов.

R134a представляет собой не разрушающий озоновый слой хладагент, предназначенный для замены R12 в среднетемпературных агрегатах. R134a обладает нулевым потенциалом разрушения озонового слоя, а его потенциал глобального потепления составляет 1300, что гораздо ниже, чем ПГП R12, равного

 

 

8500. R134a не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. Однако при сжатии воздухом R134a может образовывать горючие смеси. По этой причине хладагент нельзя смешивать воздухом для проведения испытаний под давлением на предмет выявления утечек. В рамках программы PAFT завершено исследование токсичности R134а. Этот фреон – идеальный хладагент для областей применения, где особое значение придается безопасности и постоянству эксплуатационных характеристик.

Хладагент рекомендуется  применять в системах кондиционирования  воздуха (с центробежными и объемными  компрессорами), охладителях, холодильных  системах со средними температурами  испарения, бытовых холодильниках, автомобильных и транспортных системах кондиционирования воздуха. В среднетемпературном оборудовании R134a обладает эксплуатационными характеристиками, близкими R12.

Таким образом, для нашего случая наиболее приемлемый вариант хладагент – R134a.

5.5 Выбор источника низкопотенциального тепла

 

Применение  тепловых насосов всегда требует  не только затрат энергии на привод, но и дополнительных источников тепла. Общедоступным источником низкопотенциальной теплоты является атмосферный воздух, который широко используют для малых  теплонасосных установок. Однако низкие значения температуры воздуха, теплоемкости и коэффициента теплоотдачи не позволяет достичь приемлемых показателей энергетической эффективности крупных установок, в частности теплонасосных станций, к испарителям которых требуется подводить большие тепловые потоки.

Эффективность теплового насоса во многом зависит  от выбора источника низкопотенциальной теплоты, так как повышение эффективности  происходит при снижении разности температуры  конденсации и температуры кипения  рабочего

 

 

вещества.

Для нашего случая источником теплоты служит обратная вода тепловых сетей.

5.6 Тепловой расчет теплонасосной установки

 

Для данного здания выбираем тепловой насос фирмы STIEBEL ELTRON (Германия) марки WPL 604. Произведем его расчет.

- теплопроизводительность,

- температура теплоотдатчика (конденсата) на входе в испаритель,

- температура теплоотдатчика (конденсата) на выходе из испарителя,

- температура теплоприемника на входе в конденсатор,

- температура теплоприемника  на выходе из конденсатора,

- разность температур между  греющей и охлаждающей средой  в испарителе,

- в конденсаторе,

- в охладителе.

 

Рисунок 5.4 – Принципиальная схема теплонасосной установки

Рисунок  5.5 – Диаграмма цикла теплонасосной установки

 

 

 

1. Температура испарения

,                                                  (5.1)

.

2. Температура конденсации

,                                                  (5.2)

.

3. КПД компрессора

,

,                                                         (5.3)

.

4. Значения параметров в характерных точках

,                                                  (5.4)

,                                                      (5.5)

,

,                                                   (5.6)

.

 

Таблица 5.2 Значения параметров в характерных точках процесса

Точки	1	2	2΄	3	4	5
	34	105	100	95	59	34
	0,86	3,0	3,0	3,0		0,86
	0,025			0,006
	421	452	448	350	285	285
	1,70	1,72	1,70	1,44	1,28	1,38

 

 

5. Удельная холодопроизводительность

,                                                      (5.7)

.

6. Тепло, отводимое от конденсатора

,                                                    (5.8)

.

7. Тепло, отводимое от охладителя

,                                                    (5.9)

.

8. Баланс

,                                            (5.10)

,

.

9. Массовый расход рабочего агента

,                                                  (5.11)

.

10. Объемная производительность компрессора

,                                                      (5.12)

.

11. Расчетная тепловая нагрузка испарителя

,                                                    (5.13)

.

12. Расчетная тепловая нагрузка охладителя

,                                                   (5.14)

 

 

.

13. Удельная работа компрессора

,                                                     (5.15)

.

14. Удельный расход электроэнергии на единицу выработанного тепла

,                                               (5.16)

.

15. Электрическая мощность компрессора

,                                                   (5.17)

.

16. Коэффициент трансформации