CC BY
19
УДК 62-683
Задорожний Сергш Анатолшович, асп. асс., +38 (063) 4701338, seregadom@ukr.net. Форсюк Андрiй Васильович, канд. техн. наук, доц. Потапов Сташслав Геннадшович, асс.
Нацiональний унiверситет харчових технологш (НУХТ), м. Кшв, Украша. Вул. Володимирська, 68, м. Кшв, Украша, 01033, +38 (063) 4701338.
ДОСЛ1ДНА УСТАНОВКА ПОВ1ТРЯНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСУ ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
ПОТРЕБ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ
Сформульованi проблеми розрахунку та вибору елементiв повiтряного теплового насосу. Спроектована та виготовлена до^дна установка повiтряного теплового насосу забезпечуе потреби гарячого водопостачання iдальнi навчального закладу протягом року. Установка оснащена давачами температури, тиску, вiдносноi вологостi та струму, приеднаними до системи автоматичного контролю з частотою опитування не менше 1 с. Це дозволяе визначати режимнi та витратнi параметри роботи кожного елементу системи, енергетичнi втрати та ефективтсть роботи установки.
Конструкцiя установки дозволяе вартвати тип компресора, вид холодильного агента та мастила. Ключовi слова: повтряний тепловий насос, гаряче водопостачання, коефiцiент СОР, заощадження енергоресурсiв, енергетична ефективтсть.
Задорожний Сергей Анатольевич, асп., асс., +38 (063) 4701338, seregadom@ukr.net Форсюк Андрей Васильевич, канд. техн. наук, доц. Потапов Станислав Геннадиевич, асс.
Национальный университет пищевых технологий, г. Киев, Украина. Ул. Владимирская, 68, г. Кшв, Украина, 01033, +38(063) 4701338.
Сформулированы проблемы расчета и выбора элементов воздушного теплового насоса. Спроектирована и изготовлена опытная установка воздушного теплового насосу обеспечивает потребности горячего водоснабжения столовой учебного заведения на протяжении года. Установка оснащена датичками температуры, давления, относительной влажности и тока, присоединенными к системе автоматического контроля с частотой опроса не менее 1 с. Это позволяет определять режимные и расходные параметры работы каждого элемента системы, энергетические потери и эффективность работы установки.
Конструкция установки позволяет варьировать тип компрессора, вид холодильного агента и масла. Ключевые слова: воздушный тепловой насос, гарячее водоснабжение, коэффицент СОР, экономия энергоресурсов, энергетическая эффективность.
Zadorozhnyi Sergey Anatolevich, асп., асс., +38 (063) 4701338, seregadom@ukr.net. Forsyuk Andrey Vasilevich, Cand. (Eng.) Sci., assosice prof. Potapov Stanislav Gennadievich, асс.
National university of food technologies, Kiev, Ukraina, Vladimirskaya st., 68, м. Kiyv, Ukraina, 01033, +38(063) 4701338.
RESEARCH INSTALLATION OF AIR HEAT PUMP FOR ENSURING HOT-WATER SUPPLY
In this article formulated the problem of account and selection elements of air heat pump.
Experimental assembly of air heat pump has been designed and assembled. It provides hot water for the college canteen spread the year. Installation is equipped with sensors of temperature, pressure, relative humidity and current. They connected to the system of automatic control of discrete survey of 1 second. This allows to measure parameters of each elements of the system, determine energy losses and efficiency of the heat pump.
Construction of the installation allows to vary the type of compressor, sort of refrigerant and lubricant.
Keywords: Air heat pump, hot water supply, coefficient СОР, saving energy, energy efficiency.
Вступ
Постшне зростання вартосп енергоресурав сприяе розвитку енергоощадних технолопчних процеав, установок та обладнання. Використання теплових насоав (ТН) е одним з перспективных напрямюв заощадження енергоресурав та збереження навколишнього середовища [1]
Отримання електроенергл на електростанщях супроводжуеться великими втратами та тепловим забрудненням навколишнього середовища. Максимальне значення коефщ1ента
корисно'1 дп теплових електростанцiй становить 38 %. Використання електроенергл для опалення будiвель та гарячого водопостачання (ГВП) також супроводжуеться вiдповiдними втратами. Однак використання для цих цшей ТН, що працюють за загальновiдомими термодинамiчними циклами, дозволяе суттево економити електроенерпю, яка використовуеться, в основному, для роботи компресора [2].
Основна частина
Проведений аналiз роботи теплових насоав рiзноманiтноi конструкци в системах теплозабезпечення показуе, що вони стають ефектившшими вiд iнших методiв, у випадку коли коефщент трансформацп (СОР) перевищуе значення 2,6. В цьому випадку кшьюсть теплоти витрачено!' на отримання 1 кВт-год електроенергп, буде рiвною кiлькостi теплоти отримано'1 з використанням ТН, компресор якого споживае 1 кВт-год електроенергл для здшснення роботи.
Використання ТН для опалення потрiбно лише у холодну пору року, а ГВП - постшно. З ще'1' причини розрахунковi параметри залежать вщ мiсця розташування споживачiв. Наприклад у м. Киев^ для систем опалення з використанням пов^яних теплових насоав (ПТН), розрахункове значення температури навколишнього середовища - -1,2 °С; для систем ГВП - +7,2 °С, вiдповiдно до ДСТУ-Н БВ.1-1-27:2010. Коефiцiент трансформацп ПТН, порахований для вказаних температур, буде складати 3,6 та 4,2 вщповщно. Цi значення вказують на перспективнiсть використання ПТН для систем теплопостачання.
Ефектившсть використання ПТН, в значнш мiрi, залежить вщ правильного розрахунку та вибору обладнання. Пропоноваш на сьогоднi методики розрахунку теплонасосного обладнання не враховують специфшу його роботи. Розрахунки та вибiр обладнання для здiйснення ци^в холодильно'1 машини та теплового насосу повинш грунтуватися на рiзних пщходах, оскiльки воно працюе в рiзних температурних умовах, що впливае на загальну ефективнiсть його роботи [3].
Для здшснення циклу теплового насосу, холодильна машина повинна мати у своему складi чотири основш елементи. Для пщвищення надшносп та ефективност основних елементiв застосовують допомiжнi. Ефектившсть машини в цшому, визначаеться призначенням, конструктивними особливостями та економiчними показниками роботи окремих складових [4].
У порiвняннi з геотермальними тепловими насосами, в ПТН використовуеться проспше i дешевше обладнання, однак iснуе багато суто техшчних факторiв, характерних, в тому чист, для iнших титв ТН, якi впливають на ефектившсть та потребують вирiшення:
- вибiр оптимального типу компресора;
- питання розрахунку та вибору теплообмшного обладнання;
- схема оргашзацп термодинамiчного циклу, за яким працюе ТН;
- тип дросельного пристрою;
- компоновка елеменпв ТН та виключення пристро'в з негативним впливом на роботу установки;
- споаб та режими вщтаювання [5].
Розглянемо детальшше особливостi роботи кожного елемента теплонасосно'1 установки.
Визначальним елементом теплонасосно'1' установки е компресор. Вибираючи компресор необхщно враховувати продуктивнiсть, режимш параметри роботи, можливостi регулювання продуктивносп, рiвень шуму, габарити i т. п., що мае суттевий вплив на його вартють, яка складае бшьше 45 % капiтальних вкладень в ПТН. Вартють компресорiв залежить вщ типу, фiрми виробника та мюця виробництва. Натепер в теплонасосних установках використовують компресори уах вщомих типiв, однак у невеликих ТН переважають герметичш (поршневi, ротацiйнi, стральш) та напiвгерметичнi (поршневi). Кожний тип компресорiв мае сво'1 переваги та недолши. При цьому треба враховувати, що на ринку компресорiв для використання у теплових насосах е лише спешальш стральш компресори.
Використання шших титв потребуе ретельного аналiзу умов роботи та технiчних
характеристик.
На рис.1 представлено залежност вартост компресорiв за умов однаково! теплово! продуктивностi ТН; теплово! продуктивное^ та температури конденсацп за однаково! вартоси залежно вщ типу компресора. Вартгсть,
$ А
913 -352 -796 --
200 -
Рг
Пг
П5с
Сг
Тип
компресора
а)
Н-1-1-1->
Рг Пг Пдс Сг Тип
б)
в)
Рис. 1. Характеристики рiзних тишв компресорiв при використаннi у складi ПТН: а) залежнiсть вартостi вщ типу, за однаково! теплопродуктивност^
б) теплопродуктивност за однаково! вартостi; в) максимально допустимо! температури конденсацп за однаково! вартоси
ПримШка: Qк - теплопродуктивнють, кВт; 1к - температура конденсацп, °С; Рг - ротацшний герметичний; Пг - поршневий герметичний; Пбс - поршневий напiвгерметичний; Сг - сшральний герметичний (розрахунковi умови: холодильний агент Я407е, 1к = 45 °С, ^ = -20 °С).
Ротацiйнi компресори за рахунок простоти конструкцп мають найменшу вартють. Вiдповiдно питома продуктивнiсть на одиницю вартост для цього типу компресорiв найбiльша. Однак кiнцева температура стискання ^ вiдповiдно температура теплоносiя, що залишае ТН, обмежена. Причина конструктивна - гаряча пара холодильного агента шсля стискання омивае статор електродвигуна компресора.
Поршневi компресори значно дорожчi за ротацшш, однак дозволяють отримати вишу температуру конденсацп. Не дивлячись на це, використання таких компресорiв у ПТН обмежено низькими об'емними коефщентами (коефiцiент подачi на 25-30 % менший нiж у ротацшних та спiральних компресорах).
Завдяки конструктивним особливостям (коефщент подачi X > 0,95, температура конденсацГ! у спещальних моделях може досягати 73 °С при 1;0 = - 25 °С; змiнна частота
обертання вщ 30 до 127 с-1), найкращими для використання у ПТН, бачаться стральш компресори.
Вибiр та експлуаташя випарника ПТН мае ряд особливостей. В звичайнш холодильнш машинi випарник працюе в умовах постшних: регульованих температур кипiння та вщносно! вологостi повiтря, що абсолютно не вщповщае умовам роботи випарника ПТН. Крок оребрення випарника ТН повинен бути оптимальним з врахуванням коливань температур, вщносно! вологост та вартосп. Випарник розрахований на температуру навколишнього середовища —20 °С буде мати бiльшу вартiсть, шж розрахований на температуру 0 °С. Однак, у випадку зростання температури навколишнього середовища, його ефектившсть буде суттево зростати. Для випарника розрахованого на температуру 0 °С, будемо мати зворотш результати.
Використання регенеративного теплообмшника (РТО) в схемах холодильних машин зменшуе необоротнi втрати, та призводить до зростання ефективносп циклу. В ПТН РТО може виконувати функцп докипача, якщо органiзувати цикл таким чином, щоб з випарника виходила волога пара. В цьому випадку зростае ефектившсть теплообмшу у випарнику (немае зони пере^вання пари) та значно знижуеться температура рщкого холодильного агента перед РВ.
Принцип роботи регулювального вентиля заснований на пщтриманш температури кипшня, а для теплового насосу вкрай важливим е пщтримання постшно!' температури конденсацп. Для цього робота ТРВ мала б регулюватися саме за щею температурою. При цьому забезпечення ТРВ "сухого" ходу компресора, як основи безпечноi i довговiчноi роботи обладнання, залишаеться. Вирiшити цi завдання в необхщному обсязi, використовуючи пропорцiйний регулятор температури (мехашчне ТРВ), складно.
Зазначенi завдання не виршуе, також, використання капшярно'1' трубки: не можливо регулювати продуктившсть та вирiвнюються тиски в елементах машини при 1! зупинцi. Останне може призводити до "вологого" ходу компресора та додаткових витрат електроенергп в перюд пуску.
Вирiшення завдання можливе за допомогою електромоторного або iмпульсного РВ, який керуються процесором, працюе за програмою i може обчислювати необхiдний алгоритм роботи, отримуючи сигнали з декшькох давачiв. Однак необхщно скласти алгоритм роботи РВ ПТН, визначити кшьюсть, тип та мюце встановлення давачiв.
В процес роботи ПТН виникае необхiднiсть вщтаювання випарника, що дозволяе пiдтримувати ефектившсть роботи на сталому високому рiвнi.
В iснуючих схемах ПТН вщтаювання реалiзуеться через перемикання режиму ТН на ХМ за допомогою перемикача режиму. Не дивлячись на малi розмiри пристрою, в ньому вщбуваеться iнтенсивний теплообмiн гарячо1 пари тсля компресора i холодно!' пари тсля випарника. Завдяки непередбаченому додатковому пере^ванню може зростати температура кiнця стискання до значень, при яких можлива аваршна зупинка компресора. Тому виникае необхщшсть замши цього пристрою на шший, або ж змшювати споаб вiдтаювання, не знижуючи ефективнiсть роботи ТН.
Розрахунок ефективносп роботи ПТН i зокрема значення СОР, залежать вщ вибору елементiв системи, 1х працездатностi та режиму експлуатацii. Коефщент ефективностi роботи брутто з урахуванням вщтаювання та виходу на режим (для системи з капшярною трубкою) мае вигляд
С0Р = {аг с!т+огйт
-1 Ыре°бс1т + Ы1дт йт'
де 0р°б - кшьюсть теплоти, отриманох' при конденсацii холодильного агента, Вт; аВ'дт - кшьюсть теплоти, втрачено! при вiдтаюваннi установки, Вт;
Ыр°б - потужнють спожита ТН в робочому режимi, Вт; - потужнiсть спожита ТН
в режимi вiдтаювання, Вт.
Значний вплив на ефектившсть роботи ПТН, мае його холодопродуктившсть в режимi
вщтаювання, коли теплота вщбираеться вщ теплоносiя. Величина значень (2^дт залежить вiд
тривалостi режиму вiдтаювання та його частоти процесу в робочому цикл^ ТН [6]. Правильний вибiр способу та оптимальне регулювання процесу вщтаювання забезпечить високу ефектившсть роботи ПТН.
За теоретичними розрахунками, рiзнi режими роботи установки ПТН, мають рiзнi значення СОР [6]. Однак реальш значення показникiв ефективностi можна отримати, провiвши дослiдження та визначивши теплову продуктивнiсть, тепловi втрати, споживання електроенерп1 за показниками вимiрювальних пристро1в.
Для вирiшення описаних вище задач, дослщження особливостей роботи, визначення ефективност роботи кожного елемента та установки в щлому, визначення втрат на рiзних дiлянках та технiко-економiчного обгрунтування критерilв розрахунку та вибору елеменлв ТН спроектовано та виготовлено експериментальну установку ПТН. Принципова схема установки та схема автоматизащ! зображена на рис. 2.
Bxid / ¿ж± пов,тря " W
b^d I_
Рис. 2. Принципова схема дослщно!' установки та схема автоматизащ!' установки: А - зовшшнш блок; Б - внутрiшнiй блок на^ву теплоносiя; В - внутршнш блок
нагрiву води для ГВП: 1 - ротацшний компресор, 2 - перемикач режимiв, 3 - РТО, 4 - фшьтр, 5 - кашлярна трубка, 6 - зовшшнш теплообмшник, 7 - докипач, 8 - пластинчастий теплообмшник, 9 - насос, 10 - бак з водою, 11 - розширювальний бак
Експериментальна установка дозволяе: дослщжувати роботу ТН при використанш рiзних холодильних агентов та мастила; працювати з використанням РТО або без нього; змшювати продуктившсть РТО вщ 0 до 100 %; задавати рiзну кiнцеву температуру теплоносiя (води системи ГВП); працювати в широких межах змши параметрiв зовнiшнього повiтря; задавати рiзну величину нагрiвання теплоносiя; змшювати режими i методи вщтаювання.
Установка обладнана вимiрювальними приладами: давачами температури (16 шт.), тиску (4 шт.), струму (3 шт.) та вщносно!' вологост (2 шт.), як дозволяють контролювати роботу кожного елемента та отримувати даш для подальшого аналiзу та розрахункiв.
Всi давачi подключено до аналогово-цифрових перетворювачiв ICP CON типу Í7018 та
17017, далi через перетворювач протоколу ЯБ 232/ ЯБ 495 типу i7520 - пiдключенi до ПК. На ПК встановлено безкоштовну програму Б2Ва1;а1ег, за допомогою якого здшснюеться автоматичний i цiлодобовий запис i збереження даних з частотою опитування не менше 1 с.
Монтаж установки проведено в !дальш Коледжу ресторанного господарства НУХТ (рис. 3), що дозволило створити реальнi умови роботи та теплове навантаження. Установка пройшла випробування на герметичшсть (азот, 30 бар) та працездатшсть (48 годин безперервно'1 роботи).
Рис. 3. Мюце встановлення дослщно! установки: 1 - зовшшнш блок; 2 - електрощит i пристро! автоматичного контролю; 3 - внутршнш блок пвд^ву теплоносiя;
4 - бак з гарячою водою
Висновок
Запропонована установка може використовуватись для дослщження ефективносп роботи ПТН протягом року в умовах реального споживання гарячо! води.
Кшьюсть встановлених давачiв та дискретшсть !х опитування дозволяе дослiдити роботу окремих елементiв системи при коливаннях навантаження та рiзних режимах роботи.
Конструктивне ршення дослщно! установки дозволяють варiювати тип компресора, холодильний агент, мастило та змшювати схему за якою вона працюе.
Список використаноТ лiтератури:
1. Жовтянський В. А., Кулик М. М., Стогнш Б. С. Стратепя енергозбереження в Украшг анали\ довщ. матер1али - К. : Академперюдика. - Т. 1. - 2006.
2. Колесниченко Н. В., Константинов Т.Е ., Дмитренко М.А . Оценка целесообразности использования тепловых насосов в Украине // Промышленная теплотехника. - 2011. - № 5.
3. Шерстюк В. Г. Производство холода и теплоты в системах энергетического взаимодействия холодильных и теплонасосных установок // Коммунальное хозяйство городов. - К.: 2006. - Вып. 7.
4. Хайнрих Г., Найрок Х., Нестлер В. Тепловые установки для отопления и горячего водоснабжения М.: Стройиздат, 1985.
5. Амерханов Р. А. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 2005.
6. Потапов С. Г., Задорожний С.А. Дослвдження ефективносп роботи повпряного теплового насосу / Матер1али м1жнародно! науково! конференщя молодих учених, асшранлв i студенпв. - К.: частина 2, 10-11 квиня 2014 р.
References:
1. Zhovtianskyi V.A., Kulyk M.M., Stognii B.S. Strategy of saving energy in Ukraine: analytic manual stuff [Strategiya energozberezhenia v Ukraine: analit. dovid. materialy ]. - K.: Akademperiodyka. - T.1. - 2006.
2. Kolesnechenko N. V., Konstantinov T. E., Dmitrenko M. A. Valuation reasonability of use heat pump in Ukraine [ Ozenka zelesoobraznosni ispolzovania teplovykh nasosov v Ukraine] // Promyshlennaia teplotehnika. - 2011. - № 5.
3. Sherstiuk V.G. Production cold and heat in the system of energy interaction refrigeration and heat pumps installations [Proizvodstvo holoda i teploty v sistemakh energeticheskogo vzaimodeystviya holodilnykh i teplonasosnykh ustanovok] // Komunalnoe hoziastvo gorodov. - K.: 2006 - issue 7.
4. Hainrih G., Nairok H., Nestler V. Heat installations for heating and hot-water supply [Teplovye ustanovki dla otopleniya i goryachego vodosnabzhenia]. - M.: Stroiizdat, 1985.
5. Amerhanov R.A. Heat pumps [Teplovye nasosy] - M.: Energoatomizdat, 2005.
6. Potapov S.G., Zadorozhnyi S.A. Investigation efficiency of air heat pump [Doslidzhennia efektyvnosti roboty povitrianogo teplovogo nasosu] / Materials of international scientific conference young scientist, postgraduate student and student. - K.: part 2, 10-11 april 2014.
Поступила в редакцию 06.04 2015 г
