CC BY
65
ВЛИЯНИЕ ТИПА РАБОЧЕГО АГЕНТА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
М.Ю. Фролов
ТЭЦ-28 филиал ОАО «Мосэнерго»
Ул. Ижорская, 13, Москва, Россия, 125412
И.К. Шаталов, Ю.А. Антипов,
Д.В. Терехов
Кафедра теплотехники и тепловых двигателей Российский университет дружбы народов Ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198
Дается анализ влияния различных рабочих агентов на характеристики ТНУ. Показаны преимущества использования альтернативных рабочих агентов.
Ключевые слова: тепловой насос, конденсатор, испаритель, компрессор, температура.
Теплонасосная установка (ТНУ) осуществляет передачу энергии от теплоносителя с низкой температурой (НПИТ) к теплоносителю с более высокой температурой. Наибольшее распространение получили парокомпрессионные теплонасосные установки (рис. 1).
Рис. 1. Схема компрессионной ТНУ:
Д — дроссельный вентиль; И — испаритель; К — конденсатор; Кр — компрессор;
ПО — переохладитель; Гв1, їв2 — температура теплопотребителя на входе и выходе ТНУ; (н1, (н2 — температура НПИТ на входе и выходе ТНУ
Эффективность теплонасосной установки характеризуется отношением теплоты Q, полученной теплопотребителем к потребленной компрессором ТНУ мощности ^. Данную величину называют коэффициентом преобразования ТНУ Мгну = QlNк •
Существенное влияние на мтну оказывает тип рабочего агента (РА), используемого в ТНУ. До последнего времени наилучшими рабочими агентами являлись хлорфторуглероды (фреоны), обладающие высокими эксплуатационными свойствами (неагрессивность к конструктивным материалам, негорючесть, взрывобе-зопасность, невысокие давление насыщения, степень сжатия и низкая температура
после компрессора). Однако открытие их разрушительного влияния на озоновый слой Земли и принадлежность к группе парниковых газов привело к запрету на применение большей части фреонов. По этой причине в настоящее время ведутся работы по поиску эффективной замены запрещенных рабочих агентов. Перспективными рабочими агентами в настоящее время считается целый ряд озонобезопасных фреонов, а также природные вещества, такие как углекислый газ, аммиак, изобутан, водяной пар.
В данной работе дается анализ влияния различных рабочих агентов на характеристики ТНУ. Для сравнения рабочих агентов взяты как озоноразрушающие, так и безопасные для окружающей среды фреоны, а также альтернативные РА с фазовым переходом.
Исследовались следующие рабочие агенты: Ю2, Я22, Я502, Ю42Ъ, Ю34а, смесевые рабочие агенты Я401Л, Я404Л, Я410Л, Я600а (изобутан), Я717 (аммиак), Я718 (вода).
Для расчетного анализа взята ТНУ тепловой мощностью 500 кВт, работающая на искусственных и естественных НПИТ (табл.).
Таблица
Варианты работы ТНУ для сравнения рабочих агентов
№ варианта Тип Температура Температура Температура
НПИТ воды на выходе НПИТ НПИТ
из ТНУ на входе в ТНУ на выходе из ТНУ
'„2. °С 'ні. °С 2. ° О
1 Естественные 50 15 10
2 Искусственные 80 30 20
В качестве параметров для сравнения были выбраны коэффициент преобразования цТНУ, относительная удельная теплопроизводительность по отношению к Ш2 q/qR12, давление Pк и температура в конце сжатия tс давления в компрессоре пк, его ядовитость и взрывоопасность.
Рис. 2. Зависимость цтну от типа РА: а) вариант № 1; б) вариант № 2
Рис. 3. Зависимость относительной удельной теплопроизводительности от типа РА: а) вариант № 1; б) вариант № 2
Рис. 4. Зависимость давления после сжатия Рк от типа РА: а) вариант № 1; б) вариант № 2
Рис. 5. Зависимость степени сжатия РА в компрессоре пк от типа РА: а) вариант № 1; б) вариант № 2
Рис. 6. Зависимость температуры после сжатия tсж от типа РА:
а) вариант № 1; б) вариант № 2
Результаты расчетов, представленных на рис. 2—6, позволяют сделать следующие выводы:
— коэффициенты преобразования цТНУ запрещенных Монреальским протоколом рабочих агентов Я12, Я22, Я142Ъ, превосходят коэффициенты преобразования остальных РА, за исключением Я600а, Я717, Я718 (рис. 2);
— при увеличении разности температур между теплопотребителем на выходе из ТНУ и НПИТ на входе в ТНУ At = гв2 - ^ коэффициент преобразования для всех РА уменьшается (для Я142Ъ при At = 35 °С - цТНУ = 4,42; при At = = 50 °С - цТНУ = 3,06);
— независимо от варианта максимальный коэффициент преобразования имеет рабочий агент Я717, а в случае высоких At высокий коэффициент преобразования имеет Я718.
— из рассмотренных рабочих агентов на порядок большую, по сравнению с Я12, удельную теплопроизводительность имеют рабочие агенты Я718, Я717, что позволяет уменьшить массовую заправку ТНУ; рабочий агент Я600а также в 2,5 раза более эффективен по этому параметру; прочие рабочие агенты сравнимы между собой (рис. 3);
— пять из рассмотренных рабочих агентов (Я22, Я404Л, Я410Л, Я502, Я717) имеют при нормальных условиях работы ТНУ давление в конце сжатия превышающее 2 МПа (рис. 4). Для варианта 2 давление конденсации Я717 достигает 4,6 МПа, давление для Я12 и Я410Л превышает 2,5 МПа. Невысокое давление при работе имеют рабочие агенты Я142Ъ, Я600а. Использование Я718 характеризуется работой компрессора в области вакуума (0,016 МПа и 0,058 МПа абсолютного давления для 1-го и 2-го варианта соответственно);
— степени повышения давления для всех рабочих агентов, за исключением Я718, сопоставимы между собой и для разных вариантов составляют 3,4—6,2; для Я718 характерны гораздо более высокие значения степени повышения давления: 17—32 (рис. 5);
— температуры рабочих агентов в конце сжатия в компрессоре невелики и сопоставимы между собой, за исключением рабочих агентов Я717 и Я718 (рис. 6).
Рабочие агенты Я142Ъ, Я600а, Я717, Я410Л горючи и взрывоопасны, а Я717 помимо этого является высокотоксичным веществом. Безопасным в применении является Я718, однако для его успешного применения необходимо решить ряд серьезных проблем.
Таким образом, ни один из известных или недавно синтезированных хладагентов не обладает к настоящему времени всем комплексом свойств, которые присущи запрещенным рабочим агентам. Наиболее перспективными из альтернативных рабочих агентов представляются вещества Я134а, Я600а, Я717 и Я718.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М: Наука, 1972.
[2] Шаталов И.К., Лобан М.В. Расчет теплонасосной установки. Методические рекомендации по курсовому проектированию. — М.: Изд-во РУДН, 2005.
REFRIGERANT INFLUENCE ON PERFORMANCE OF HEAT PUMP
M.Ju. Frolov
CHP-28 OAO MOSENERGO
Izhorskaya str., 13, Moscow, Russia, 125412
I.K. Shatalov, Ju.A. Antipov,
D.V. Terekhov
Department of Heat Engineering and Thermal Engines Peoples’ Friendship University of Russia
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198
Analysis of refrigerant influence on heat pump performance is given in this paper. Advantages of alternative refrigerants are shown.
Key words: the thermal pump, the condenser, the evaporator, the compressor, temperature.
