Экспериментальная установка

Лабораторная работа № 4

 

ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

 

Цель работы: Изучение цикла теплового насоса. Определение отопительного коэффициента цикла e. Определение количества низкопотенциальной теплоты Q₂, отбираемой у окружающей среды. Определение количества теплоты Q₁, передаваемой в систему отопления помещения.

 

Общие сведения

 

Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса.

Тепловой насос установка, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме теплоты, от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения.

Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,1-2,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.

Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40 °С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15–18 млн. тепловых насосов различной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насосами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию 74 крупные (от 5 до 80 МВт) теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320 МВт, работающая на принципе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, использует и зимой морскую воду с температурой 4 °С, охлаждая ее до 2 °С. Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла, получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого тепло насосными установками в Швеции, составляет около 50 % от потребного.

Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение холодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин (1852 г.) предложил применить обратный цикл для целей отопления, используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту, отобранную от холодного источника (внешней среды) в горячий.

Введем следующие обозначения:

q₂ – удельная теплота, отбираемая от холодного источника, кДж/кг (низко потенциальная теплота);

q₁ – удельная теплота (теплота, приходящаяся на единицу массы), передаваемая горячему источнику, кДж/кг (теплота, передаваемая в систему отопления помещения);

l_цикла – удельная работа, подводимая от внешнего источника, кДж/кг.

Можно записать

;	(4.1)
,	(4.2)

 

где e – коэффициент преобразования или отопительный коэффициент цикла. Этот коэффициент характеризует эффективность цикла теплового насоса.

Рабочий цикл теплового насоса представлен на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Рабочий цикл теплового насоса

 

Низко потенциальная теплота Q₂ поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в цикле. Источником низко потенциальной теплоты могут быть наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения – углекислота, аммиак, фреоны. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода теплоты Q₂ к жидкому хладагенту происходит его превращение в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа l_цикла. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают свое тепло Q₁ в систему отопления помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низко потенциального источника. Цикл замыкается.

Экспериментальная установка

Рис. 4.2. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка включает в себя: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный вентиль; 4 – испаритель; 5 – электродвигатель; 6 – манометры; 7 – хромель-копелевые термопары; 8 – переключатель термопар; 9 – милливольтметр; 10 – барометр; 11 – термометр.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Включить установку в сеть.

2. Дождаться выхода работы установки на стационарный режим, о котором свидетельствует неизменность показаний манометров.

3. Измерить при помощи манометров давление за компрессором и за дроссельным вентилем перед испарителем. Результаты занести в табл. 4.1.

4. С помощью барометра измерить атмосферное давление барометром В , Па. Результаты занести в табл. 4.1.

5. Измерить температуру окружающей среды термометром t _{о с},°С. Результаты занести в табл. 4.1.

6. При помощи термопар и милливольтметра измерить температуры в конденсаторе и испарителе в милливольтах и, пользуясь градуировочной таблицей (Приложение 2), перевести их в градусы Цельсия с учетом поправки на холодный спай термопар (к табличному значению температуры в °С прибавить температуру окружающей среды). Результаты занести в табл. 4.1.

7. Выключить установку из сети.

Таблица 4.1

 

Р 1ман, ати	Р 2ман, ати	В , Па	Р 1, МПа	Р 2, МПа	t 1, мВ	t 2, мВ	t о с, °С	t 1, °С	t 2, °С

 

Рассмотренный цикл теплового насоса в Т, s–диаграмме выглядит следующим образом (рис. 4.3). Координаты Т – абсолютная температура, К; s = dq/Т – удельная энтропия – термодинамический параметр состояния, кДж/(кг×К).

Рис. 4.3. Цикл теплового насоса:

1–2 - адиабатное сжатие хладагента в компрессоре; 2–3 - отвод теплоты из конденсатора в систему отопления помещения (Р₂ = соnst, t₂ = соnst); 3–4 – дросселирование; 4–1 - подвод низкопотенциальной теплоты из окружающей среды к испарителю (Р₁ = соnst, t₁ = соnst)

 

В таблице термодинамических свойств хладагента (фреона-12) (Приложение 3) параметры на линии кипения (нижней пограничной кривой) обозначены параметрами с одним штрихом; на линии сухого насыщенного пара (верхней пограничной кривой) – с двумя штрихами. Между линиями кипения и сухого насыщенного пара находится область влажного насыщенного пара.

Степень сухости влажного насыщенного пара (х) – отношение массы сухого насыщенного пара к массе влажного насыщенного пара. Значение х изменяется от 0 (кипящая жидкость) до 1 (сухой насыщенный пар).

По полученным значениям температур t₁ и t₂ заполняется табл. 4.2.

Таблица 4.2

Параметры   Температура	h’,кДж/кг	h’’,кДж/кг	s’,кДж/(кг×К)	s’’,кДж/(кг×К)
t 1
t 2

 

Величина h – удельная энтальпия, s – удельная энтропия - термодинамические параметры состояния.

 

Методика расчета

 

Манометры измеряют избыточное давление (давление, превышающее атмосферное). Абсолютное давление – сумма манометрического (избыточного) и барометрического (атмосферного) давления. Для определения абсолютного давления воспользуемся формулой

Р = В + Р _ман,

где В – атмосферное давление, измеренное барометром, Па.

Соответственно

Р ₁ = Р _{1 ман}9,81 ×10 ⁴ + В,Па ;

Р ₂ = Р _{2 ман}9,81 ×10 ⁴ + В,Па .

(1 МПа = 10⁶ Па.)

Определив температуры t₁ и t₂, °С, и давления Р₁ и Р_2, воспользуемся таблицей теплофизических свойств фреона-12 (Приложение 2).

Из рис. 4.3 видно, что точка 2 лежит на линии сухого насыщенного пара:

 

h ₂ = h’’ _{(t 2),},кДж/кг;

 

s ₂ = s’’ _{(t 2)},кДж/(кг×К).

Точка 3 лежит на линии кипения:

 

h ₃ = h’ _{(t 2)},кДж/кг;

s ₃ = s’ _{(t 2)},кДж/(кг×К).

Процесс 3–4 – дросселирование, h = const, следовательно

 

h ₄ = h ₃,кДж/кг.

Для того, чтобы найти параметры в точке 1, надо вначале найти степень сухости в этой точке. Это можно сделать исходя из

s ₁ = s ₂,кДж/(кг×К);

 

x ₁ = .

Значение х₁ находится в пределах 0,9¸1 (для проверки). Тогда

 

h ₁ = h’’_{(t 1)} × x ₁ + h’_{(t 1)}(1– x ₁ ),кДж/кг.

 

Удельное количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему отопления помещения:

q ₁ = h ₂– h ₃ ,кДж/кг.

 

Удельное количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окружающей среды к испарителю:

 

q ₂ = h ₁– h ₄ ,кДж/кг.

 

Удельная работа цикла

l_цикла = q ₁– q ₂ = h ₂– h ₁, кДж/кг.

В процессе дросселирования работа не производится, поэтому работа цикла равна работе компрессора. Мощность компрессора N = 0,2 кВт.

Расход хладагента

G = N / l _цикла ,кг/с,

где N – кВт; l _цикла–кДж/кг.

Количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему отопления помещения:

Q₁ = q₁ × G,кВт.

Количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окружающей среды к испарителю:

Q ₂ = q₂× G,кВт.

Отопительный коэффициент

e = q₁ / l _цикла .

Значение отопительного коэффициента должно быть больше единицы, что показывает, что в систему отопления помещения отдано теплоты больше, чем затрачено работы, в e раз за счет использования низкопотенциальной теплоты наружного воздуха. Это следует отразить в выводах.

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 4

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Для чего нужны тепловые насосы, область их применения?

3. Устройство и принцип работы теплового насоса.

4. Источники низко потенциальной теплоты.

5. Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепловых насосах?

6. Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее?

7. Могут ли использоваться для теплоснабжения низко потенциальные источники теплоты напрямую без специальных устройств?

8. Является ли целесообразным обогрев помещения с помощью теплового насоса? Если да, то почему?

9. В каком направлении тепловой насос переносит теплоту (от холодного источника к горячему или наоборот)?

10. Что происходит при испарении хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)?

11. Что происходит при конденсации хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)?

12. Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса? Порядок его величины.

13. За счет чего происходит повышение температуры хладагента в тепловом насосе?

14. В какой части установки осуществляется подвод энергии?

15. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

16. Перечислить величины, измеряемые в лабораторной работе, единицы измерения.

17. С помощью каких приборов проводились измерения?