2.3.3 Тепловые насосные установки (тну)

В ТНУ, как источника низкопотенциального тепла, можно использовать природный воздух, поверхностные реки, озера, подземные воды, грунт, отработанные в производственных процессах теплоносители (воздух, газы, жидкости). ТНУ, имея электропривод, возвращает затраченную на вращение электромотора электрическую энергию в виде низкопотенциального тепла – теплоноситель с температурой 40÷70°С, но в количестве в 2-3 раза больше – т.е. на 1 затраченный киловатт электрической энергии ТНУ возвращает от 2 до 6 киловатт тепловой энергии.

t_и = -5 ÷ +4 1 2 2 t_к = +40 ÷ +70

3

5 4

Рис. 2 Устройство и принцип работы теплового насоса

Схема компрессорного теплового насоса, работающего по замкнутому циклу, показана на схеме. В этой схеме, испаритель, с кипящим хладагентом (фреоном) с температурой кипения (-1)÷(-5)ºС, отбирает тепло из воды (воздуха, почвы) с температурами (+4 )÷(+10)ºС.

В качестве хладона, в настоящее время, для ТНУ используют фреоны – производные метана – Ф-12, Ф-13, Ф-22, Ф-23, Ф-114, Ф-142 и их смеси. Наиболее безопасным и экологически чистым считается Ф-22 – дифтормонохлорметан (CHF₂Cl), имеющий температуру кипения при 0,1 мПа (1 атм) – t_s=-40,8ºС, и критическую температуру t_кр= +96ºС при Р_кр=5,03 Мпа. Имея один атом хлора, он выгодно отличается от Ф-12 (СF₂Cl₂), имеющего два атома хлора в своем составе, что резко снижает разрушение азонового слоя земли.

Чтобы оценить габариты ТНУ (конденсатор и испаритель) для рассчитанной нагрузки на объект, необходимо предварительно воспользоваться диаграммой P-i (давление-энтальпия), построив в ней цикл теплового насоса, работающего на Ф-22 (см. диаграмму P-i и таб.1 для Ф-22 в прил. 3) и определить тепло конденсации, которое через теплообменник (см. рис. 2) направляется сетевым насосом на нужды: отопление, вентиляцию, ГВС. Для лучшего восприятия материала эскиз диаграммы P-i представлен на рис. 3 В этой диаграмме, в соответствии с рис. 3 процесс 1-2 – адиабатная работа сжатия фреона в компрессоре; 2-3-4 – процесс конденсации фреона в конденсаторе при Р=const, с отдачей тепла конденсации воде в змеевике, которая затем используется в теплоснабжении; 4-5 – процесс дросселирования жидкого фреона в дроссельном клапане с давления в конденсаторе до давления в испарителе; 5-1 – процесс кипения фреона в испарителе при Р=const. Для кипения необходимо к фреону подводить тепло из окружающей среды.

Из курса термодинамики известно, что в процессах изобарных (Р=const), а также адиабатных (S=const) изменение энергии в процессе (тепла, работы) можно рассчитать как разность значений энтальпий начала и конца процесса.

Согласно рис. 3 на диаграмме P-I (давление-энтальпия) показаны процессы теплового насоса.

Рис. 3 Эскиз диаграммы P-i

Как видно из поясняющего рис. 2 и рабочей диаграммы P-I (рис.3) адиабатный процесс в компрессоре при S =const на 1 кг рабочего тела (фреона 22) можно рассчитать как [кДж/кг]; (2.17)

тепло конденсации, которое можно передать системе отопления –

[кДж/кг]; (2.18)

тепло на испарение (кипение) фреона в испарителе, которое отбирается из окружающей среды (воздуха, воды, грунта) –

[кДж/кг]. (2.19)

Процесс дросселирования фреона в регулирующем вентиле, как известно из курса термодинамики, идет при постоянной энтальпии - i=const.

В расчетах следует принимать:

а) Температуру начала конденсации (сбива перегрева фреона в конденсаторе), процесс 2-3, t_к= 85-90ºС при P =const. Процесс конденсации – 3-4, t_к= 65-70ºС при P =const.

б) Температуру кипения фреона в испарителе, процесс 5-1, t₀= 0-2ºС при P =const. Минимальная температура воздуха, воды, грунта должна быть не менее 4-5ºС.

Анализ работы ТНУ показывает, его эффективность может быть определена отношением:

= φ, (2.20)

Где:

φ - коэффициент преобразования, который равен отношению тепла, полученного в конденсаторе на отопление и ГВС к работе компрессора, на которую затрачивается очень дорогая электроэнергия. Чем больше этот коэффициент, тем эффективней ТНУ. Тепловой насос считается эффективным, если φ ≥ 2,8, т.е. на каждый затраченный кВт электроэнергии на привод компрессора, должно получиться более 2,8 кВт низкопотенциальной тепловой энергии. При указанных выше параметрах работы ТНУ на Фреоне -22, температура воды в отопительных приборах не превысит 50 ÷ 55ºС. Поэтому в случае использования пристенных батарей необходимо или увеличивать их поверхности или ставить дополнительный источник тепла (котельные агрегаты, электронагреватели, теплонакопители и т.п.). Как правило, при батарейном отоплении , коэффициент φ не превышает 4. При напольном и воздушном отоплении, когда необходимо снижать температуру конденсации и следовательно температуру воды в напольных системах отопления до 35-40ºС (процесс ТНУ при напольном отоплении показан как 1-2′-3′-4′-5′-1) коэффициент преобразования меняется в большую сторону и может превышать 5-6 единиц. Но в этом случае поверхность напольного отопления:

(2.21)

будет больше поверхности при батарейном отоплении, т.к. .

Оценка количества фреона, циркулирующего в системе [кг/с] может быть определена из балансового уравнения:

[кВт], откуда (2.22)

[кг/с]

Оценка габаритов ТНУ (конденсатор и испаритель) может быть получена из общего уравнения теплообмена:

(2.23)

Из этого уравнения поверхность конденсатора «фреон-вода»:

[м²], (2.24)

Где коэффициент теплопередачи по справочной литературе можно принять в пределах 400-500 Вт/м²ºС.

Температурный напор между фреоном и водой для отопления можно найти из следующего графика:

Рис. 4 График для определения температурного напора

Оценка габаритов испарителя ТНУ может быть получена из следующего уравнения теплообмена:

(2.25)

[м²], где коэффициент теплопередачи k [Вт/м²ºС], можно принять по справочнику в пределах 150-200 Вт/м²ºС.

Температурный напор между фреоном и природной водой (река, озеро и т.п.) находятся из следующего графика:

Рис. 5 График для определения температурного напора

В графике (рис.5) температуру природной воды можно принять постоянной t_в=const из-за бесконечного расхода, который мы можем организовать через испаритель насосной системой.

Выбрав диаметр змеевика (трубки) для циркуляции по ТНУ фреона (медная трубка) d = 10-20 мм) и зная поверхности конденсатора и испарителя, длина трубки аппарата определяется как:

[м]. (2.26)

Габариты теплообменного аппарата (змеевиковый, кожехотрубный, спиральный и т.п.) оценивается согласно выбранной конструкции по теории тепломассообмена.