CC BY
94
Мазурова Ольга Константиновна
Mazurova Olga
Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Доцент / Associate Professor кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Чебанова Татьяна Олеговна
Chebanova Tatiana
Ростовский государственный строительный университет Rostov State University of Civil Engineering Аспирант / postgraduate student E-Mail: [email protected]
05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
К оценке эффективности переохлаждения для ряда хладагентов
в теплонасосном цикле
By evaluating the effectiveness of supercooling for a number of refrigerants
in the heat pump cycle
Аннотация: Проведено сравнение термодинамических свойств хладагентов, дана оценка влияния переохлаждения хладагентов после конденсатора перед регулирующим вентилем в теплонасосной схеме, рассчитаны коэффициент преобразования ц в реальных теплонасосных циклах для хладагентов R22, R124, R134а, R407C, R717 при различных температурах низкопотенциальных источников теплоты
The Abstract: A comparison of the thermodynamic properties of refrigerants, evaluated the influence of supercooling refrigerant after the condenser to the expansion valve in the heat pump scheme, calculated the conversion coefficient ц in the real heat pump cycles for refrigerants R22, R124, R134a, R407C, R717 at different temperatures of low-grade heat sources.
Ключевые слова: Тепловой насос, хладагент, коэффициент преобразования,
переохлаждение, низкопотенциальный источник теплоты.
Keywords: A heat pump, a refrigerant, the conversion coefficient, a supercooling, a low-grade heat source.
***
Одним из важнейших условий развития экономики страны является эффективное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Россия значительно превосходит другие страны в отношении потенциального запаса и структуры ТЭР, однако неравномерность их распределения вызывает трудности в эффективном снабжении страны топливом и энергией. Поиск и разработка новых месторождений, а также транспортировка ресурсов требуют всё больше капитальных затрат, что обуславливает постоянный рост стоимости топлива и энергии. В этих условиях происходит переоценка способов экономии энергии, а именно: то, что ранее не являлось экономически целесообразным, теперь
становится выгодным.
Одним из перспективных путей решения проблемы рационального использования топливно-энергетических ресурсов является применение энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии можно достичь с помощью тепловых насосов.
Тепловой насос существенно расширяет возможности применения низкопотенциальной энергии за счет затраты некоторой доли энергии, полностью превращаемой в работу. Теплонасосная установка (ТНУ) позволяет повысить температуру низкопотенциального тепла и привлечь такие источники, как окружающий воздух, речная и морская вода, грунт, грунтовые воды, сбросное тепло [1, 2, 3, 6].
На рисунке 1 показана принципиальная схема теплового насоса с переохладителем. Наличие переохладителя в схеме после конденсатора позволяет увеличить количество отвода тепла во внешнюю среду и понизить температуру хладагента перед регулирующим вентилем.
Бак-аккумулятор
Рис. 1. Принципиальная схема теплового насоса с переохладителем И - испаритель; Км - компрессор; К - конденсатор; ПО - переохладитель;
РВ - регулирующий вентиль (дроссель); Н - насос; А, Б - источники низкопотенциальной тепловой энергии (выбросы теплоты или природные источники)
Рис. 2. Цикл теплового насоса с переохладителем в р-і(И) диаграмме до - теплота, переданная от НПИТ; I - работа компрессора; дк - теплота, полученная в конденсаторе; дохл - теплота, отведенная в ПО
На рисунке 2 показан цикл работы реальной одноступенчатой компрессионной теплонасосной установки в P-i(h)-диаграмме. Процесс 7-1-2-3-3"-4-7 соответствует циклу работы теплового насоса без переохладителя, а процесс 6-7-1-2-3-3"-4-5-6 соответствует работе теплового насоса с переохладителем.
Как видно из рисунка, наличие переохладителя позволяет увеличить количество тепла, переданное во внешнюю среду, на qоXл (точки 4-5) по сравнению с количеством тепла, переданным в конденсаторе, qк.
Актуальной является проблема использования в тепловых насосах эффективных рабочих тел, мало влияющих на озоновый слой и на глобальное потепление.
При выборе эффективного хладагента, кроме экологических требований, рассматривают диапазон его рабочих температур. При температурах выше критической точки фреон использоваться не может. Коэффициент преобразования теплоты ц теплового насоса определяется свойствами фреона. Чем выше требуемые температуры кипения и испарения к критической точке, тем коэффициент ц ниже, но чем температура дальше от критической точки, тем больше расход хладагента [4].
В данной статье приведено сравнение термодинамических свойств хладагентов, возможных к применению в течение последующих двух десятилетий, выбор наиболее «выгодного» хладагента для работы одноступенчатого теплового насоса и оценка влияния переохлаждения хладагентов после конденсатора К перед регулирующим вентилем РВ теплового насоса в режимах горячего водоснабжения (ГВС) и низкотемпературного отопления. Термодинамический расчет реальных теплонасосных циклов выполнен для хладагентов Я22, Ю24, Ю34а, Я407С, Я717, из которых Я22 и Ю24 разрешены в переходный период, а Ю34а и Я407С - озонобезопасные хладагенты, Я717 (аммиак) - природный хладагент [5].
В качестве низкопотенциальных источников теплоты (НПИТ) приняты морская вода (1;н = 4 °С), грунт (1;н = 8 °С), грунтовые воды (1;н = 15 °С), холодная водопроводная вода в летний период (1;н = 15 °С), морская вода (1;н = 24 °С), сбросной воздух (1;н = 24 °С) и сточные воды (1;н =
30 °С).
Результаты проведенных расчетов представлены на рисунках 3-6, где показаны графики зависимости коэффициента преобразования ц от температуры низкопотенциальных источников і для пяти хладагентов, работающих в двух режимах - ГВС и отопление.
Рис. З. Изменение коэффициента преобразования с ростом температуры НПИТ при tB = 40 °С (отопление) без переохладителя
Рис. 4. Изменение коэффициента преобразования с ростом температуры НПИТ при и = 40 °С (отопление) ТНУ с переохладителем
Рис. 5. Изменение коэффициента преобразования с ростом температуры НПИТ при tB = 60 °С (ГВС) без переохладителя
Рис. 6. Изменение коэффициента преобразования с ростом температуры НПИТ при и = 60 °С (ГВС) ТНУ с переохладителем
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
Сравнение результатов по величине ц позволяет, во-первых, выделить наиболее термодинамически эффективные рабочие агенты и, во-вторых, оценить различную степень влияния переохлаждения жидкого хладагента на эффективность теплонасосного цикла для разных хладагентов.
При сопоставлении эффективности циклов для низкотемпературного отопления для рис.3 и рис.4 ясно видно весьма существенное влияние переохлаждения рабочих тел после конденсации перед дросселирвоанием. Так, например, в цикле без переохладителя (ПО) ц для хладагента Я 134а при 1=15 0С, составляет 4,99. А с переохладителем в аналогичных условиях ц = 6,73.
Этот результат хорошо проявляется и для случая горячего водоснабжения потребителей при сравнении данных на рис.5 и рис.6. Коэффициент преобразования для хладагента Я 134а при 1 = 15 0С в схеме без переохладителя составляет 3,08, а с переохладителем ц = 4,7.
Анализ графиков позволяет сделать вывод, что влияние переохлаждения на эффективность цикла различно для рассматриваемых веществ. Так, например, наиболее эффективный хладагент в схеме без ПО оказывается «слабее» других при использовании переохлаждения в цикле. Это объясняется разным характером поведения хладагента в области жидкости. Например, у Я 717 левая (нижняя) пограничная кривая более круто уходит вниз на диаграмме р-1(Ь) [7], изотермы, идущие вверх, находятся существенно ближе друг к другу, из-за этого разность температур, одинаковая по сравнению с другими веществами, соответствует гораздо меньшей (полезной) разности энтальпий, которая и входит в числитель ц, что определяет тепловую эффективность цикла.
Следует отметить, что, несмотря на высокую термодинамическую активность аммиака (Я 717) и широкое применение в холодильной технике и менее широкое в тепловых насосах, нельзя забывать о присущих ему специфических свойствах, в частности, токсичности, взрыво-и пожароопасности [5].
Как видно для любого хладагента наличие переохлаждения после конденсатора позволяет повысить эффективность теплонасосного цикла. Однако при выборе рабочего вещества необходимо исходить из реальных и временных обстоятельств, учитывая роль доступности и стоимости различных хладагентов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. -224 с.
2. Руденко Н.Н., Рыбинский В.А. Круглогодичное использование тепловых насосов // Материалы международной научно-практической конференции «Стоительство 2009», РГСУ, 2009.
3. Руденко Н.Н., Особенности прогнозирования эффективности работы теплового насоса // «Инженерный вестник Дона». - 2012. - № 4 (часть 1).
4. Трубаев П. А., Гришко Б.М. Тепловые насосы: Учебное пособие / П. А. Трубаев, Б.М. Гришко. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - 142 с.
5. Цветков, О.Б. Энергоэкологические парадигмы холодильных агентов // ЮНИДО в России. - 2011. - № 3. - с. 17-21.
6. Янтовский Е. И., Пустовалов Ю. В. Парокомпрессионные теплонасосные установки.— М.: Энергоиздат, 1982. — 144 с.
7. Термодинамические диаграммы і -1§Р для хладагентов. - М.: АВИСАНКО, 2003. - 50 с.
Рецензент: Чернявский Адольф Александрович, главный специалист по экономике и альтернативной энергетике, к.т.н., филиал ОАО «Южный инженерный центр энергетики» Ростовтеплоэлектропроект.
