Теория тепловых насосов (часть 3)

6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КПЭ

Величина КОП отражает меру полезности теплового насоса как выработку большого количества тепла при затрате сравнительно малой работы. Однако она не отражает того факта, что передача энергии в форме работы представляет большую ценность, чем передача энергии в форме тепла. Это становится очевидным при выборе привода для компрессора. Электромотор требует мощности, .которая генерируется за счет подвода, тепла с большими потерями. Вообще любая тепловая машина позволяет лишь часть тепла, получаемого от топлива, преобразовать в работу. Идеальным был бы привод теплового насоса за счет даровой работы ветра или гидроэнергии, но это не всегда возможно.

Для оценки различных теплонасосных систем с приводом компрессора за счет различных топлив или источников энергии применяют коэффициент первичной энергии. Он учитывает не только КОП, но и КПД преобразования первичной энергии (нефть, газ, уголь или солнечное тепло) в работу привода компрессора. КПЭ особенно важен при рассмотрении тепловых насосов, к которым подводится только тепло и обсуждаемых в этой главе несколько далее. В их комбинированных схемах не всегда можно различить потоки тепла и работы. Определение КПЭ таково:

КПЭ= Полезное тепло от теплового нососа / Затраты первичной энергии

Можно дать и другое определение КПЭ, когда для привода компрессора используется тепловая машина с термическим КПД nT:

КПЭ=nT*КОП.

При использовании теплового насоса для отопления или теплоснабжения в промышленности, а также любого применения, где единственным назначением теплового насоса является получение тепла, КПЭ показывает, насколько выгоден тепловой насос по сравнению с обычным водогрейным или паровым котлом, а также по сравнению с непосредственным огневым нагревом. Так, для примера, описанного в предыдущем разделе, приводом может быть двигатель дизеля. Дизель — это довольно хорошая тепловая машина, и при полной нагрузке ее КПД достигает nT=0,4. Следовательно,

КПЭ=0,4*3,1 = 1,24.

Другими словами, тепловой насос дает на 24% больше тепла, чем прямое сжигание топлива. Если же дополнительно можно использовать 35% первичной энергии, обратившейся в тепло на выхлопе и в радиаторе дизеля, то КПЭ соответственно возрастает:

КПЭ= 1,24 + 0,35= 1,59.

Это можно сравнить с системой обычного теплоснабжения от котельной, у которой КПЭ составляет 0,7—0,8. Сравнение показывает, что в этом случае тепловой насос дает вдвое больше полезного тепла на единицу использованного топлива.

 

7. ДВОЙНОЙ ЦИКЛ РЕНКИНА

Термином «цикл Ренкина» иногда обозначается и энергетический цикл, и парокомпрессионный. Если тепловая машина, работающая по циклу Ренкина, применяется для привода теплового насоса, то получается схема, которую можно назвать двойным циклом Ренкина. Такая комбинация особенно интересна, когда в двух контурах можно использовать одинаковое рабочее тело.

Двойной цикл Ренкина показан на рис. вместе с его изображением на р—h диаграмме. В нем используется рабочее тело R11—хладоагент низкого давления, удобный для ротационных машин. Такой же цикл можно создать и на основе поршневых компрессора и двигателя, но поскольку он предназначен для отопления жилищ, менее шумные ротационные машины применяются шире.

3cp_teoria5

Точками а, b, с, d обозначен парокомпрессионный цикл, а точками а, b, е, f — энергетический. Хладоагент адиабатически сжимается от b до е с помощью небольшого гидравлического насоса при затрате пренебрежимо малой работы, так как жидкость практически несжимаема. Такой насос используется и в абсорбционных машинах. Между состояниями е и f за счет внешнего сгорания подводится тепло в теплообменнике, который можно назвать котлом. Максимальная температура в точке f ограничивается термической стойкостью хладоагента и масла, а не термодинамикой. Этот предел ограничивает КПЭ цикла. Между f и a рабочее тело расширяется, производя работу, которая затрачивается на привод компрессора. Как сжатие, так и расширение здесь характеризуются изоэнтропическим КПД 0,75.

Фактически тепловой насос состоит из двух отдельных циклов, но объединенных для простоты. Имеется только один общий конденсатор, а обе ротационные машины идентичны и соединены общим валом.

Пренебрегая некоторыми деталями, проведем грубую оценку возможной величины КПЭ. Здесь имеются три потока массы Ме, Мс и Мb, соответствующих трем уровням давления в системе (в испарителе, конденсаторе и котле соответственно):

 

КПЭ = (ha – hb) * Mc / (hf – he) * Mb

 

Приравнивая работу расширительной машины и компрессора, имеем

 

(hf-ha)*Мb = (ha-hd)*Мс.

 

Наконец, из закона сохранения материи

Мс = Мeb.

3cp_teoria6

Решение этих трех уравнений дает следующее выражение для КПЭ:

 

КПЭ = (hf-ha \ ha-hd)*(ha-hb \ hf-he) +1

 

Используя значения, соответствующие обычному отоплению, можно построить график? где в качестве рабочего тела принят R11, максимальная температура цикла 110° С и изоэнтропический КПД 0,75.

Для реализации такого комбинированного цикла в США предложены ротационные компрессоры с лопатками нового типа, позволяющими работать без масла.

В Англии предложена система, в которой расширение и сжатие объединены еще более тесно в двухполостной ротационной машине. Она сконструирована с минимумом вращающихся частей для снижения капиталовложений и затрат на обслуживание. Английская система рассчитана на сжигание газа, а американская — на солнечную энергию.

Подобный же цикл изучается в институте Беттеля в Женеве. В этой схеме двигатель и компрессор объединены в свободнопоршневой машине, также содержащей минимум движущихся частей. Назначение машины — отопление и кондиционирование воздуха за счет сжигания природного газа.

 

3cp_teoria7

 

Возможность привода теплового насоса с помощью тепловой машины по циклу Ренкина при низкой температуре в котле делает его перспективным также для кондиционирования воздуха и охлаждения воды за счет солнечной энергии. Такое направление представляет особый интерес для стран с изобилием солнечной энергии, где холодильный эффект особенно нужен, причем именно тогда, когда поток энергии максимальный.

 

Мы реализуем теплообменники, компрессоры и прочее холодильное оборудование с 2001 года. 10 лет для компании – возраст, достаточный для того чтобы набраться опыта и иметь силы продолжать развиваться дальше;

Мы не только поддерживаем долгосрочное взаимовыгодное сотрудничество с партнерами за счет отличных условий, но и привлекаем новых поставщиков, предоставляющих нам холодильные машины, воздухоохладители и испарители под реализацию;

Нам доверяют дилерские полномочия производители с мировым именем, известные высочайшим качеством и надежностью холодильного оборудования и сопутствующих систем обслуживания.