CC BY
14УДК 677:697.1:65.011 DOI: 10.37279/2413-1873-2020-18-123-132
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС АГРЕГАТНО-ТЕПЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛОХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМ
Федосов СВ., Федосеев ВН., Емелин В.А.
ФГБОУ ВО ИВГПУ 153000 г. Иваново, Шереметевский пр, 21
Аннотация: В выполненном исследовании показан результат сравнения технологических характеристик работы термодинамического процесса теплообмена замкнутой системы с окружающей средой воздушного теплового насоса (ВТН) мощностью 7 кВт, полученных экспериментальным путем и работы рециркуляционного воздушного теплового насоса (РВТН) той же мощностью при тех же параметрах, на основе термодинамического цикла, при температуре испарения ^сп. =100С и трёх температурах конденсации 300С,400С, 500С. Результат показал, что технологические характеристики теплонасосных систем практически совпадают.
Ключевые слова: энтропия, скрытая теплота парообразования, хладагент, компрессор, испаритель, тепломассообмен, тепловая насосная система
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях тенденции использования возобновляемых источников энергии для теплоснабжения зданий особую актуальность приобретают воздушные тепловые насосы (ВТН), принцип действия которых - отбор рассеянного тепла из окружающего воздуха и перенос в отопительный контур помещения. Работа воздушных тепловых насосов основана на принципах термодинамической активности неравновесных процессов. Рабочей жидкостью в тепловых насосах является хладагент (фреон), особенностью которого является способность закипать при низких температурах и переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Во время фазового перехода из жидкого состояния в газообразное (испарение) происходит поглощение теплоты, а во время фазового перехода из газообразного в жидкое (конденсация) происходит передача теплоты на тех же принципах термодинамической активности. Сегодня реализуются технологии, позволяющие с помощью «тепловых насосов» концентрировать и переносить рассеянную в окружающей среде тепловую энергию [2]. Это одна из систем топливно-сберегающих технологий, которая позволяет создавать экологически чистую энергетику. Существенным недостатком современных ВТН в наших умеренно холодных климатических условиях является низкий коэффициент эффективности, определяемый как коэффициент трансформации COP (англ. COP -сокр. от coefficient of performance). Современные усовершенствованные отопительные воздушные тепловые насосы работают сверхэффективно с коэффициентом преобразования, значения которого лежат в интервале 3,5 - 7 [11]. Тепловые насосы, работающие с коэффициентом преобразования от 2 до 2,5 и ниже, считаются мало (низко) эффективными. Такой режим работа, если в этом есть необходимость, допустим, лишь в течение
относительно небольшого отопительного сезонного промежутка времени. Таким образом, актуальной является разработка воздушных тепловых насосов с коэффициентом СОР равным 3 - 7 [12].
Разрабатывая теоретические основы эффективных термодинамических процессов, протекающих в испарительно-конденсаторном блоке воздушного теплового насоса, используя возможности энергоинверсии на
производительность воздушных теплонасосных систем, добиваемся при этом полной автономной работы и нивелирования климатических условий используя возобновляемые источники
энергоресурсов.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
На сегодня воздушные тепловые насосы являются более распространёнными за рубежом в европейских странах. В Российской Федерации в зимнее время наружная отрицательная температура не позволяет достаточно эффективно работать традиционным воздушным тепловым насосам. Выходом из этой ситуации является совершенствование, модернизация системы отопления, а в отдельных случаях принимают решение при совместной работе воздушного теплового насоса и электрического котла. Отличие воздушного теплового насоса от разного вида топливных источников тепла состоит в том, что для работы, кроме электроэнергии для компрессора ему нужен также источник низкопотенциального тепла, т.е. энергия атмосферного воздуха, в то время как в традиционных источниках тепла вырабатываемое тепло зависит исключительно от теплотворной способности конкретного вида топлива. Теплонасосные установки давно доказали свою эффективность благодаря тому, что передают пользователю в 3 - 5 раз больше энергии, чем затрачивают сами на ее передачу. Кроме того, в тепловых насосах используются экологически чистые технологии практически без выбросов
вредных веществ в окружающую среду. Однако тепловой насос нельзя назвать на 100% потребляющим только возобновляемые источники энергии, всё-таки он потребляет элекроэнергию на реализацию привода компрессора. Основной показатель энергоэффективности - это отношение теплопроизводительности к затраченной мощности (тепловой коэффициент для теплонасосных систем).
Теплопроизводительность, в большей степени, и потребляемая мощность, в меньшей степени, в теплонасосных системах зависят от условий эксплуатации, главным образом - от температуры окружающей среды и температуры в обслуживаемом помещении. Необходимость учёта реальных режимов работы и привела к появлению разного рода показателей энергетической эффективности. Температурный уровень теплоснабжения тепловыми насосами в настоящее время, учитывая энергоэффективность режима работы, варьируется от 350С до 550С, что позволяет использовать практически различную систему отопления.
Проведенный подробный анализ разработок теплонасосных установок для теплоснабжения зданий, (помещений) показал, что применение воздушных теплонасосных систем в условиях климата Центрального федерального округа реально и эффективно, о чём говорят полученные результаты [8,10,11,13].
Возможный диапазон энергоэффективного применения ВТН при проектировании малоэтажных зданий и строений с учётом ресурсосберегающих технологий, экспериментально и расчётным путём, доказал эффективность применения ВТН в умеренно-холодных районах РФ.
Результаты сравнительного анализа
предлагаемых усовершенствованных режимов работы воздушных теплонасосных систем с рециркуляций воздуха и рекуперацией отражены в авторских свидетельствах, полученных на полезную модель [19-21].
Преимуществом воздушных тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом, подключая к внешнему коллектору фанкойлы.
При достижении экономия энергетических ресурсов до 70 % задача совершенствования испарительно-конденсаторного блока ВТН является крайне актуальной. Для её решения необходимо полноценно проанализировать термодинамический цикл и рамки его изменений, разработать систему нестационарного тепломассопереноса, раскрыть экспериментально - теоретическую суть самих неравновесных процессов.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель работы: Повышение энергоэффекивности системы автономного, экологически чистого и экономически эффективного теплоснабжения зданий
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Известно, что при постоянной температуре, вещество может поглощать или выделять тепло путём изменения агрегатного состояния, а также иметь количественную оценку тепловых преобразований при изменении агрегатного состояния вещества [Джозеф Блэк, шотландский физик, в 1765г. ввёл понятие скрытой теплоты].
Это явление используется во всех тепловых машинах при получении тепла или холода. Обычная теплохолодильная машина использует явление поглощения тепла из окружающей среды во время перехода вещества из жидкого состояния в газообразное при постоянной температуре и давлении.
Возьмём хладагент, фреон, который находится в замкнутом контуре теплонасосной системы (ТНС) в процессе термодинамического цикла, где создаются условия для сбора испарившегося хладагента (фреона) и обратного его преобразования в жидкость, тогда этот процесс можно использовать для создания тепла или холода [2]. Схему такой термодинамической системы можно отобразить на рис. 1, а процесс, протекающий в этой системе в Р - V диаграмме на рис. 2.
ВЫБРОС ВОЗДУХА ПЛ УЛИЦУ
Рис. 1 Блок-схема теплохолодильной насосной системы Fig. 1 Block diagram of a heating and refrigeration pumping system
к
Рис. 2 Теплохолодильный цикл в P - V координатах Fig: 2 Heating and cooling cycle in P - V coordinates
Регулируя давление устройством ТРВ (терморегулирующий вентиль — дроссель) можно управлять количественно процессом превращения хладагента в пар при требуемой температуре и давлении. Отобранное хладагентом тепло, направляясь по контуру теплонасосной системы, сжимают компрессором и направляют в теплообменник - конденсатор, где отдают его на отопление/охлаждение помещений. Согласно диаграмме рис. 2., кривая 1-2 - компрессор сжимает и превращает в пар, кривая 2-3 - конденсатор отдает тепло в работу, газ превращается в жидкий хладагент кривая 3-4. Получаем замкнутый цикл. Площадь Ь-1-4-а - тепло, отобранное испарителем, Ь-1-2-3-4-а - тепло, отданное конденсатором. Вся работа теплохолодильной машины идёт на выполнение термодинамического цикла —>1 -2-3-4.
По Р - V диаграмме теплохолодильного цикла
теплохолодильной машины и затраченную энергию измеряя площадь между линиями процессов. Цикл с максиимальным коэффициентом полезного действия (КПД) лучше определять по диаграмме «температура - энергия» (Т - Б диаграмма) это точнее и проще.
Для количественной оценки обратимых процессов существует понятие «энтропия» [Клаузиус, 1865 г.], сущность которого характеризует направление протекания процесс «теплообмена» между системой и внешней средой. Следует напомнить, что воздушный тепловой насос, рассматривая как пример получения «механической энергии» через процесс сжатия в компрессоре в Р -V диаграмме можно представить, как элемент площади, равный йЖ = р ■ йу.
можно
определить
производительность
Рис. 3. Графическое представление элементарной энтропии Fig. 3. Graphical representation of elementary entropy
По той же аналогии оценку тепловой энергии, согласно диаграмме Т-8 можно определить, как йд — Т ■ йБ
Б2 ^^
^ Т ,тогда энтропия будет Б — I —, рис. 3.
Т Б 1
Элементарное количество тепла (йд) есть произведение абсолютной температуры Т на изменение состояния, называемого энтропией. В тепловых процессах важно изменение (прирост теплообмена) энтропии рабочего тела в процессе теплового цикла.
м-- * -J^ -j ^q
S0 S0 поглощенная, отдаваемая энергия;
Г _ х 1 О-поглощ../отдача
T J T
Где ^поглощ./отдача
Т - абсолютная температура при поглощении /отдачи. На Т-£ диаграмме идеальный цикл Карно отображается прямоугольником, рисунок 4.
Рис. 4. Цикл Карно наТ-S диаграмме Fig. 4. Camot cycle on the T-S diagram
Энтропийное сжатие хладагента - прямая 2-3, изотермическая конденсация 3-4, адиабатическое расширение 4-1, изотермическое парообразование 1-2. Площадь прямоугольника, а- 3-4-Ь на диаграмме Т^ , есть количество тепла отданного конденсатором (йд), что для теплонасосной системы является конечным итоговым результатом. Площадь прямоугольника, а-2-1-Ь на диаграмме Т^, соответствует количеству тепла отбираемого
хладагентом (д0). Разность этих площадей 1-2-3-4
затраченная работа (Ж). Из Т^ диаграммы следует, что количество тепла, отданное конденсатором ^ — д0 + Ж есть отданное тепло в теплонасосную систему.
«Теплохолодильный коэффициент» или показатель энергоэффективности 8, есть отношение теплохолодопроизводительности к затраченной работе и равен:
~К Г т Л
S -
q
± 0 W
LK
T - T
VTo tk у
Где Т0 - поглощает тепло; ТК - отдаёт тепло.
Тогда значения теплохолодильного
коэффициента 8 термодинамического цикла теплонасосной системы, в зависимости от температуры на испаритель, можно выразить через температуру конденсации 300С, 400С и 500С, показанные на рисунке 5. при условии ^сп = 100С.
Рис. 5. Зависимость теплохолодильного коэффициента от температуры конденсации на выходе ТНС , Ъшнд =
300С,400С, 500С
Fig. 5. Dependence of the heat-cooling coefficient on the condensation temperature at the outlet of the HPS, tkond =
300С, 400С, 500С
Для подтверждения данных характеристик был проведён эксперимент в реальном режиме при следующих условиях.
Имеем строение S=100м2,типовой ВТН, тепловая выходная мощность-7кВт (А20^35), потребляемая электрическая мощность 1,75 кВт, СОР - 4.
где А20/Ж35 —А - окружающий воздух, Ор. возд.' =+200С;
Ж - теплоноситель (вода) для тёплого пола, + =350С
1тепл.пол. 35 С.
тепл.эн./Рзатр. мощн.
СОР - коэффициент эффективности.
Реальный СОР или КПД будет отличаться от идеального на величину низкопотенциальной энергии воздуха. Поясним, имея в этом случае следующие соотношения:
Рвтн=7кВт/ч; СОР=4; Рэл.дв =1,75кВт/ч, тогда Рвтн - Рэл.дв=7кВт/ч-1,75кВТ/ч=5,25 кВт/ч — ^тепл.эн. = 5,25 кВт/ч
Q - низкопотенциальная тепловая энергия из воздуха, т.е.:
СОР=Q тепл.эн. на вых. /(Рд виг. +Рнизкопот.эн.)
Чисто физически - это процесс поглощения тепла из окружающей среды (воздуха) происходит за счёт использования явления перехода вещества из жидкого состояния в газообразное при обдувании испарителя при постоянной температуре и давлении, тем самым получая добавочную «даровую» энергию теплого воздуха.
Таким образом, термодинамический процесс теплообмена замкнутой системы воздушного насоса с окружающей средой, учитывая затраты электрической энергии на компрессор, позволил получить экспериментальным путём
технологические характеристики ВТН практически с такими же выходным данными.
РВТН - рециркуляционный воздушный тепловой насос с выходной тепловой мощностью (энергией) при температуре ^онд = 50°С,40°С, 300С для обогрева помещения, рисунок 6.
7 кВт Т на т/и кВт/ч QnblLTaLl.l№pni кВт/ч-
улипс 8 кВт/ч-т/в э/к
-30 10,8 2,1875 8,6125
-25 9,8 2,275 7,525
-20 8,8 2,3625 7,525
-15 7,8 2,45 7,525
РВТП -10 6,8 2,625 7,525
W50 -5 5,8 2,975 7,525
0 4,8 3,325 -
5 3,8 4,1125 -
10 2,8 4,2 -
15 1,8 4,2875 -
20 0,8 4,375 -
7 кВт Т на т/п кВт/ч Овыгтепл.энерпга кВг/ч-
улице кВт/ч-т/н э/к
-30 10,8 2,84375 7,95625
-25 9,8 2,975 6,825
-20 8,8 3,15 5,65
-15 7,8 3,325 4,475
РВТП -10 6,8 3,5 3,3
W40 -5 5,8 3,85 0,425
0 4,8 4,375 -
5 3,8 5,25 -
10 2,8 5,425 -
15 1,8 5,6 -
20 0,8 5,775 -
7 кВТ Т па т/п кВт/ч Qnui.r rni.tHrpr и и кВт/ч-
улице кВт/ч-т/п э/к
-30 10,8 3,675 7,13
-25 9,8 3,85 5,95
-20 8,8 4,095 4,705
-15 7,8 4,375 3,425
РВТП -10 6,8 4,55 2,25
W30 -5 5,8 5,075 0,725
0 4,8 5,775 -
5 3,8 6,825 -
10 2,8 7,0525 -
15 1,8 - -
20 0,8 -
QlULItlLIUB.
•30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
QIULTOLUI.
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Qkultojub.
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Рис. 6. Fig: 6.
Полученные характеристики, рис. 7, не отличаются значительно от характеристик на рис. 5.
Q
вых.тепл.эн.
5
7.5 7 6,5
6 5,5
5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
1,5 1
0.5 О
при w = 10°С
4-
1нар воздуха^
°с
-30
-25
-20
-15
-10
10
15
20
— Тк=50 —Тк=40 —Тк-30
Рис. 7. Fig: 6.
ВЫВОДЫ
1. Повысить эффективность воздушных тепловых насосов можно путём усложнения (модернизации) термодинамического цикла и соответственно тепловой схемы установки.
2. Возможен вариант промежуточного «нагрева - охлаждения» после дросселирования (процесс изотермического сжатия).
3. Как вариант впрыск в компрессор парообразного хладагента.
4. Использовать процесс двухступенчатого сжатия в компрессоре.
5. Разработать новые рабочие тела.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В дальнейшем предполагается провести теоретические исследования основ эффективных термодинамических процессов, протекающих в режиме фазового превращения скрытой теплоты парообразования в зависимости от температуры и давления, при которых происходит это фазовое превращение, с использованием метода
математического моделирования процессов тепломассопереноса и метода анализа иерархий, как математического инструмента прогнозирования системного и необходимого подхода для анализа сложных проблем при поддержки принятия
управленческих решений. Применение этих методов позволит получить новые знания о процессах тепломассопереноса для воздушных теплонасосных систем и достичь требуемой цели исследования, а использование полученных результатов исследования позволит, совершенствуя испарительно-конденсаторный блок ВТН, повысить его энергоресурсоэффективность, что будет способствовать в дальнейшем решению актуальных научных вопросов и проблем.
Работа выполнена по заданию №13.11322.2018/11.12 по теме «Разработка технологии использования возобновляемой энергии изотермических рециркуляционных воздушных тепловых насосов со встроенными рекуператорами», выполняемой в рамках государственного задания на 2018 год.
ЛИТЕРАТУРА
1. Black J. Lectures on the Elements of Chemistry. Ed. By J. Robison. Vols. 1-Edinburg, 1803.
2. Ощепков П.К. «Жизнь и мечта», 4-е изд., доп. и испр., ил. - М.: Московский рабочий,1984.- 320с.
3. Бармасов, А.В. Курс общей физики для природопользователей. Молекулярная физика и термодинамика /А.В.. Бармасов. - СПб.: BHV, 2012.- 512с.
4. Мирам, А.О. Техническая термодинамика. Тепломассообмен. Учебное издание /А.О. Мирам, в.В. Павленко. - М.: АСВ, 2016.- 352с.
5. Квасников, И.А.. Термодинамика и статистическая физика. Теория равновесных систем: Термодинамика / И.А. Квасников.- М.: КД Либроком, 2012-328с.
6. Квасников, И.А.. Термодинамика и статистическая физика. Теория неравновесных систем: / И.А. Квасников. - М.: УРСС, 2016 - 450 с.
7. Жмакин, Л.И. Тепломассообменные процессы и оборудование в легкой и текстильной промышленности.. Учебное пособие /Л.И. Жмакин. -М.: Инфра-М, 2018.-192с.
8. Воронов В.А., Емелин В.А., Федосеев В.Н., Зайцева И.А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. Сборник научных трудов. - 2015. С. 241251.
9. Федосеев В.Н., Петрухин А.Б., Емелин В.А., Воронов В.А., Зайцева И.А. Энергоэффективность рабочего тела (хладона) воздушного теплового насоса в режиме обогрева автономного текстильного цеха (производства) // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. Сборник научных трудов. Иваново, 2016. с.186-194.
10. Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Алоян С.М., Зайцева И.А., Виноградова Н.В. Возможный диапазон работы воздушного теплового насоса в отопительный период // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. - 2017. № 4 (370). С. 278-281
11. Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Виноградова Н.В., Ткачев В.М., Емелин В.А. Термодинамическая эффективность воздушных тепловых насосов, используемых в малоэтажных текстильных строениях // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. №2 5 (371). С. 314-318.
12. Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Зайцева И.А., Виноградова Н.В. Количественный анализ конфигурации коэффициента эффективности и тепловой мощности воздушного теплового насоса при отоплении малоэтажных текстильных строений // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. № 5 (371). С. 319-323.
13. Алоян Р.М., Федосеев В.Н., Зайцева И.А., Виноградова Н.В., Емелин В.А., Воронов В.А. Сравнительный анализ комбинированных режимов работы ВТН для малоэтажных строений в текстильной отрасли // Известия высших учебных
заведений. Технология текстильной
промышленности. 2017. № 5 (371). С. 324-328.
14. Федосеев В.Н., Зайцева И.А., Острякова Ю.Е., Целовальникова Н.В., Емелин В.А., Воронов В.А. Эффективное управление системой теплогенерации в автономных производственных помещениях // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. 4-4 (58). С. 109113.
15. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Петрухин А.Б., Мартынов И.А., Опарина Л.А. Тепловой насос как элемент энергосберегающей политики для энергоёмких предприятий текстильной и лёгкой промышленности // Текстильная и легкая промышленность. 2018. № 2. С. 10-12.
16. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Петрухин А.Б., Опарина Л.А. Некоторые вопросы конвертации рассеянного тепла окружающего воздуха, используемого для отопления автономных текстильных производств. // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. Сборник научных трудов. Иваново, 2018. С.112-118.
17. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Петрухин А.Б., Опарина Л.А., Мартынов И.А. Анализ условий при проектировании энергосберегающих теплонасосных систем для автономных текстильных производств // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2018. № 2. С. 84-91.
18. Федосеев В.Н., Петрухин А.Б., Опарина Л.А., Станкевич Е.Л. Возможности производства и реализации низкопотенциальной тепловой и электрической энергии с целью утилизации для малых текстильных производств // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. Сборник научных трудов. Иваново, 2018. С. 118-124.
19. Патент РФ 174083. Тепловой насос / Федосеев В.Н., Емелин В.А., Воронов В.А., Острякова Ю.Е., Свиридов И.А.; Заявл. от 09.01.2017. Опубл.
29.09.2017. Бюл. №28.
20. Патент РФ № 185689. Средство для смешения газовых потоков / Федосеев В.Н., Петрухин А.Б., Емелин В.А., Воронов В.А., Свиридов И.А.; Заявл. От 24.01. 2018, Опубл.
13.12.2018. Бюл. № 35.
21.Патент РФ16603. Теплообменник теплового насоса/ Федосеев В.Н., Емелин В.А., Воронов В.А., Свиридов И.А.; Заявл. от 03.02.2016. Опубл.10.11.2016. Бюл. № 31.
THE THERMODYNAMIC PROCESS OF AGGREGATE-THERMAL CONVERSION
TEPLOPOTERJAH SYSTEMS
Fedosov S.V., Fedoseev V.N., Emelin V.A. Ivanovo state Polytechnic University
Annotation: The performed study shows the result of comparing the technological characteristics of the thermodynamic process of heat exchange of a closed system with the environment of an air heat pump (VTN) with a power of 7 kW obtained experimentally and the work of a recirculation air heat pump (RVTN) with the same power at the same parameters, on the basis of a thermodynamic cycle, at the evaporation temperature of the 100C and three condensation temperatures 300C, 400C, 500C. The result showed that the technological characteristics of the heat pump systems are almost the same.
Key words: entropy, latent heat of vaporization, refrigerant, compressor, evaporator, heat and mass transfer, heat pump system
