ИСПЫТАНИЕ ТЕПЛОВОГО HACOCА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ИНДИВИДУАЛЬНОГО ДОМА
А.А. СУХИХ, К.С. ГЕНЕРАЛОВ, И.А. АКИМОВ
There are considered a calculation, theoretical and experimental characteristics of the heat
pump with heat productivity about 10 kWh. Outlines
and parameters of the tasting ground and
program of the heat pump tasting with using a zeotropic mixture are adduced.
Значительное место в области применения теплонасосной техники принадлежит
небольшим тепловым насосам (ТН) для теплоснабжения и горяч
его водоснабжения
индивидуальных домов теплопро
-
изводительностью около 10 кВт. Источниками
низкопотенциальной теплоты являются грунт (5…15°С) и грунтовые воды (8…15°С).
Температура нагреваемой в ТН воды для горячего водоснабжения должна быть не менее
60°С.
Если вода используется только на отопление, температура может быть ниже. Если
требуемый нагрев воды 55 °С и ниже, то в качестве рабочего вещества можно
использовать R22, для более высоких температур теплоносителей использование R22
невозможно в связи с вы
соким давлением конденсации, на которое не рассчитана большая
часть компрессоров.
При высоких температурах нагрева широко использовался R12, применение которого
запрещено в связи с его высоким потенциалом разрушения озона. Вместо него в
настоящее время
применяется озо
-
нобезопасное рабочее вещество R134a.
Нагрев воды в ТН характеризуется большой разностью температур воды (в
конденсаторе) не менее 10°С. При выборе рабочего вещества, альтернативного R12,
целесообразно использовать зеатропную смесь (ЗС)
со значительной неизотермич
-
ностью
(Тн) процессов фазовых превращений. Это позволяет повысить энергетическую
эффективность термодинамического цикла ТН за счёт сокращения внешних необратимых
потерь при теплообмене между рабочим веществом и теплоносителем.
Таким рабочим
веществом является двухкомпонентная смесь на базе двух переходных веществ R22/142b
(60/40 % по массе), производимых в России.
Термодинамические свойства этой смеси рассчитаны на кафедре низких температур
МЭИ, а диаграмма состояния постро
ена на кафедре ХКТ МГУИЭ (Тн для данной смеси
составляет 8
-
10 °С).
В работе [2] показано, что при осуществлении регенеративных циклов на ЗС со
значительным Тн достигается увеличение энергетической эффективности по сравнению с
"базовым" циклом за счёт п
овышения давления кипения, при этом одновременно
снижается отношение давлений в цикле (= РК/Р0), в результате чего повышается рабочие
коэффициенты компрессора (КПД, коэффициент подачи) и энергетическая эффективность
ТН в целом.
В табл. 1 сопоставлены п
оказатели теоретических термодинамических циклов ТН при
использовании рабочих веществ R134a, R22, ЗС ( R22/R142b ) для сле
-
дующих условий:
конечная температура нагрева воды в конденсаторе +65°С, конечная температура
охлаждения в испарителе +8 °С. При проти
воточном процессе теплообмена в испарителе
и конденсаторе этим условиям отвечают температура кипения t0 = +5 °С для всех рабочих
веществ; температура конденсации tК +69 °С для моновеществ; средняя температура
конденсации tк.ср= +65 °С для ЗС.
Для монов
еществ рассмотрен обычный регенеративный цикл Т2 (рис. 1) с разностью
температур на тёплом конце регенеративного теплообменника +15 °С.

Рисунок 1
Принципиальные схемы и термодинамические циклы теплового насоса
Для ЗС рассмотрены три цикла T1, T2, Т4.
Анализ целесообразно вести опираясь на
простейший "базовый" цикл (Т1): одноступенчатое сжатие сухого насыщенного пара по
изоэнтропе и одноступенчатое дросселирование насыщенной жидкости. В цикле Т2
жидкая фаза охлаждается в регенеративном теплообменнике (
РТ) за счёт нагрева
холодного пара перед компрессором. В цикле Т4 жидкая фаза охлаждается в РТ за счёт
выкипания жидкости и нагрева пара перед компрессором.
Из табл. 1 следует, что энергетическая эффективность ТН при работе на ЗС выше на 15
-
17%, чем пр
и работе на моновеществе.
Таблица 1

Рабочее вещество
R134a
R22
R22/R142b
Характеристика циклов
Регенера
-
тивный
Регенера
-
тивный
Базовый
Регенера
-
тивный
Регенера
-
тивный с
частичным
выкипанием
в РТ
Химическая формула
СH
2
FСF
3
CHF
2
C
1
СНF
2
С
1
/С
2
Н
3
F
2
С
1
Дав
ление кипения, Р
0
,
МПа
3,31
5,85
3,25
3,32
3,553
Давление конденсации,
Рк,МПа
18,9
29,4
17,85
17,85
17,85
-
Отношение давлений
5,7
5,025
5,5
5,376
5,024
Температур
а кипения,
t
0
,°C
+5
+5
сред.+5
сред.+5
сред.+5
Температура
конденсации, tк,°C
+69
+69
сред.+65
Сред.+65
сред.+65
Удельная объёмная
теплопроизводительность,
qV, кДж/м^3
2033,3
3024
1914,3
2191,15
2199,3
Удельная работа на
единицу объёма, 1v,
кДж/м^3
714,
3
1035,6
598,6
643,7
627,4
Коэффициент
преобразования, µ
3,847
3,92
4,196
4,4
4,505
В % к R134а
100
101,89
109,07
114,37
117,1
Влияние сокращения внешних необратимых потерь при теплообмене выявляется по
показаниям "базового" цикла, эффективность ко
торого на 9% превышает эффективность
цикла на R22. Наиболее эффективным является цикл Т4, в котором
также реализуется наименьшее отношение
давлений ¶
Надо отметить, что реально цикл на R22 в данном температурном режиме не может
быть осуществлён из
-
за в
ысокого давления конденсации. С другой стороны, необходимо
учитывать, что удельная объёмная теплопроизводительность (qv) для ЗС почти на 30%
ниже, чем для R22.
В лаборатории кафедры ХКТ сотрудниками кафедры и научно
-
производственной
фирмы "ЭКИП" разраб
отан и построен испытательный стенд ТН, схема которого
представлена на рис. 2. В состав ТН входит: компрессор (К), конденсатор, испаритель,
ресивер со смотровой трубкой, фильтр
-
осушитель (ФО), электромагнитный вентиль (СВ),
терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Рисунок 2
Схема испытательного стенда теплового насоса
На стенде установлена система контроля параметров установки в процессе проведения
экспериментов и автоматического снятия показаний с датчиков, размещённых на стенде.
В качестве первичных датчиков си
стемы были выбраны датчики российского
производства. Аппаратура преобразования сигналов датчиков и измерительные модули
произведены ведущими в этой области фирмами Analog Device и National Instruments.
Программная часть разработана при помощи интегральной
среды LabWindows
-
CVI
производства фирмы National Instruments. В качестве персонального компьютера для
системы был выбран компьютер типа RoverBook Pentium 100/8/850.
Обеспечиваемая точность измерений (при использовании штатных датчиков):
-
по темп
ературе
-
не ниже 0,1 °С;
-
по давлению
-
не ниже 0,0025 МПа;
-
по расходу
-
не ниже 1,5% максимального значения.
На стенде получены теплотехнические характеристики ТН при работе на R22 (табл. 2).
Эти данные должны быть сопоставлены с характери
стиками ТН при работе на ЗС.
Таблица 2
Температура кипения, t
0
, °С
2,91
Температура конденсации, tk, °С
54,55
Температура теплоносителя на входе в
испаритель, ts
1
, °С,
8,2
Температура теплоносителя на выходе из
конденсатора, tw
2
, °C
50,1
Разность
температур теплоносителя в
11,97

конденсаторе,
tw, °C
Расход теплоносителя в конденсаторе, Gк, кг/с
0,263
Мощность, потребляемая компрессором, Nэ, Вт
3270
Теплопр
оизводительность, Qк, Вт
13220
Расход хладагента, Ga, кг
\
с
0,063
Коэффициент преобразования, µ
4,04
Для исследования характеристик ТН, работающего на ЗС, испытательный стенд должен
быть достроен, путём включения в схему регенеративного теплообменника с
пециальной
конструкции. )
Как было показано выше, в ТН, работающем на ЗС, принципиально важно осуществить
противоточный теплообмен в аппаратах, особенно в конденсаторе. Это достигается в
аппаратах с конденсацией
и кипением рабочего вещества в каналах
(трубах). В опытном ТН на стенде установлены
теплообменные аппараты типа "труба в трубе" новой конструкции с
оребрением поверхностей по технологии деформирующего резания МГТУ им. Bayмана.
Теплоноситель (вода) проходит до внутренней трубе, а рабочее вещест
во
-
в межтрубном
(оребрённом) канале. Возможно также использование для этих условий аппаратов
пластинчатого типа противоточной схемой (кипение или кон
-
денсация рабочего вещества
в щелевых каналах пластин).
Процессы кипения и конденсации ЗС R22/R142b
в трубах исследованы Букиным В.Г.
[3]. Зависимости для коэффициентов теплоотдачи, полученные в этих работах, могут быть
использованы для расчёта ожидаемых коэффициентов теплопередачи при кипении и
конденсации в канальных аппаратах в первом приближении. Рас
чёты по этим
зависимостям позволили спроектировать теплообменные аппараты опытного ТН
(испаритель, конденсатор, регенеративный теплообменник).
Возможные отклонения зависимостей по коэффициентам теплоотдачи в канальных
аппаратах от данных, полученных дл
я гладкой трубы, должны быть выявлены по
результатам экспериментальных данных на стенде. Это позволит откорректировать
зависимости и разработать методики расчётов теплообменник аппаратов.
На этапе испытания опытного ТН на ЗС R22/R142b должны быть получ
ены следующие
результаты: внешние характеристики ТН в широком диапазоне изменения температур
теплоносителей; тепловые характеристики основных теплообменных аппаратов при
различных температурных условиях и тепловых нагрузках; характеристики герметичного
ком
прессора при работе на ЗС. Эти результаты позволяют сопоставить
экспериментальные характеристики с расчётными, откорректировать первоначально
использованные зависимости, разработать методику расчёта ТН и его элементов при
работе на ЗС.
Библиографический
список
1. Калнинь И.М. Перспективы развития тепловых насосов. // Холодильная техника.
-
1994.
-
№1.
-
С. 4
-
8.
2. Калнинь И.М., Фадеков К.Н. Эффективность альтернативных хладагентов. //
Холодильная техника.
-
1999.
-
№4.
-
С. 10
-
13.
3. Букин В.Г., Кузьмин А.
Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных
машин на смеси R22/R142b. // Холодильная техника.
-
1996,
-
№5.
-
С. 12
-
14.