Расчет эффективности парокомпрессионного теплового насоса и теплонасосной установки: Пособие по выполнению расчетно-графической работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИЛОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра тепловых и электрических станций  

       Пособие по  выполнению  расчетно-графической работы

(для студентов заочного отделения)

Расчет  эффективности парокомпрессионного  теплового  насоса

и теплонасосной установки.

  Разработал:

  д.т.н.,  профессор                                                                          Елистратов   С. Л.

                                        Новосибирск - 2013

Часть 1. Общие сведения

1.1.  Цели расчетно-графической работы:

1)  Освоение методики расчета эффективности термодинамических циклов  парокомпрессионного теплового насоса (ПКТН)  с одноступенчатым сжатием однокомпонентного рабочего тела.

2)  Определение тепловых нагрузок  основных элементов теплового насоса.

3)  Сравнительный анализ энергетической эффективности  теплового насоса и теплонасосной установки.

1.2.  Схема ТНУ  и расчетный термодинамический цикл  ПКТН.

Наибольшее распространение среди парокомпрессионных тепловых насосов (ПКТН) получили машины, в которых реализуется обратный термодинамический цикл  (см. рис. 1-3). Представленная на рис.1 принципиальная схема включает в себя все основные элементы не только ПКТН, но и некоторых схемных решений парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), что позволяет в процессе термодинамического анализа выявить принципиальные различия между этими типами технических систем. Более сложные схемы и циклы ПКТН базируются на представленных основных структурных элементах и термодинамических процессах.

               Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса.

Рис. 2. Термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса с одноступенчатым сжатием в координатах «температура - энтропия » с теплоносителями систем низкопотенциального источника тепла (с индексом «S»), системы отопления (с индексом «W» ) и горячего водоснабжения ( с индексом «F») 

Рис. 3. Термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса в координатах

« давление - энтальпия». 

В испарителе И осуществляется при постоянном давлении  и температуре  кипение РТ при подводе теплоты от низкопотенциального источника тепла (процесс 7-1 на рис. 2 и 3).  Насыщенный пар РТ при давлении  перегревается (процесс 1-2) в ТР обратным потоком жидкого РТ, поступающего ОК. Перегретый пар с температурой  поступает на вход компрессора КМ, в котором производится его сжатие (процесс 2-3) до конечного давления  с повышением температуры до . Компримированный пар с параметрами перегретого пара (точка 3) поступает в конденсатор К, где сначала происходит его охлаждение (процесс 3-4*) из состояния перегретого пара до состояния насыщения (точка 4^*), а затем конденсация (процесс 4^*-4) при постоянном давлении  и температуре . Из конденсатора К конденсат РТ направляется в охладитель конденсата ОК, где производится отвод тепла теплоносителю  внешнего теплоприемника (процесс 4-5) с понижением температуры от = до . Дальнейшее охлаждение РТ до температуры  производится в ТР обратным потоком пара, поступающим из испарителя И в компрессор КМ. Цикл завершается процессом дросселирования (процесс 6-7) жидкого РТ в дроссельном устройстве ДР от давления  до давления в испарителе  с понижением его температуры в процессе изоэнтальпийного расширения с  до температуры = в испарителе.

В процессе реализации замкнутого термодинамического цикла к РТ в испарителе И подводится тепловая энергия от теплоотдатчика  (низкопотенциального источника тепла) с охлаждением его теплоносителя с температуры  до . Также к РТ через приводное устройство в компрессоре подводится в процессе сжатия механическая энергия (эксергия). При этом мы не конкретизируем, из какого исходного вида энергии (электрическая, тепловая и др.) получена механическая энергия на валу компрессора. Отвод полезного тепла к внешнему потребителю осуществляется в конденсаторе К при нагреве теплоносителя внешнего теплоприемника  с температуры  до . В общем случае  дополнительно тепло от РТ полезно отводится в охладителе конденсата ОК какому-либо внешнему потребителю за счет нагрева теплоносителя теплоприемника  с температуры  до . При использовании ПКТН в системах теплоснабжения потребителями тепловой энергии обычно являются системы отопления (СО) и горячего водоснабжения (ГВС). Как правило, для отопления используется тепло, выделяемое в конденсаторе, а для нагрева воды на нужды ГВС - тепло охлаждения конденсата РТ. При отсутствии потребности в ГВС для целей отопления используется также незначительная часть тепла от охлаждения конденсата РТ; в этом случае теплоноситель системы отопления  последовательно или параллельно проходит через охладитель конденсата ОК и конденсатор К. Аналогичным образом ПКТН могут быть использованы в  различного рода производственных технологиях.