Цель лабораторной работы

1. Изучение термодинамических основ работы парокомпрессионной установки (ПКУ) в режимах теплового насоса (ТН).

2. Построение рабочего цикла фреоновой ПКУ на диаграммах lq и при работе в режиме воздуховоздушного ТН.

3. Определение энергетических показателей и основных характеристик теплового насоса.

Термодинамические и конструктивные особенности ПКУ,
работающей в режиме теплового насоса

1. Тепловые насосы предназначены для отвода тепловой энергии от холодного охлаждаемого объекта с температурой То.о низкопотенциальный источник теплоты с целью передачи ее горячему (нагреваемому) объекту с более высокой температурой Тн.о. (потребителю теплоты). Термодинамическая схема работы теплового насоса показана на рисунке 1. Принцип действия ТН определяется основными законами термодинамики. Уравнение теплового баланса теплового насоса (см. рисунок 1а) записывается в форме

, кВт, (1)

где - количество тепла, отводимое от холодного объекта, кВт;

- работа, соответствующая затрате энергии для передачи теплоты от холодного объекта к горячему, кВт;

- количество тепла, сообщаемое горячему объекту, кВт.

а) Тепловой баланс

б) Обратный цикл Карно

Рис. 1. Термодинамическая схема работы ПКУ в режиме теплового насоса

Основной практической задачей, решаемой тепловыми насосами, является использование тепловой энергии теплоносителей окружающей среды (воды из природных водоемов, атмосферного воздуха, воды и газов в технологии производства) путем увеличения ее потенциала (температуры и давления), что приводит к экономии топливно-энергетических ресурсов. Преимущество теплового насоса перед другими отопительными устройствами состоит в том, что при одинаковой затрате энергии (L) с помощью ее к нагревательному объекту всегда подводится большее количество теплоты (), чем при любом другом способе подогрева ().

Тепловой насос работает по обратному термодинамическому циклу. Идеальным циклом ТН является обратный обратимый цикл Карно. На - диаграмме для фреоновой ПКУ идеальный обратный обратимый цикл Карно располагается в зоне влажного пара хладагента (фреона) и реализуется следующим образом (рис. 1.б):

- линия 1-2 – адиабатическое сжатие влажного пара фреона в компрессоре без потерь;

- линия 2-3 – конденсация сухого насыщенного пара фреона в конденсаторе бесконечной поверхности при температуре нагреваемого объекта Тн.О.

- линия 3-4 – адиабатное расширение жидкого фреона в дросселе без потерь;

- линия 4-1 – переход жидкой фазы фреона в пар с увеличением степени сухости х от 0,1 ¸ 0.15 до 0,9 ¸ 0,95 в испарителе с бесконечной поверхностью при температуре охлаждаемого объекта То.о.

Эффективность теплового насоса оценивается коэффициентом преобразования, представляющим собой отношение количества теплоты, передаваемой нагреваемому объекту , и работе L, подведенной в цикле:

. (2)

Величина коэффициента преобразования (как видно из выражения (2) зависит от интервала температур , в котором работает тепловой насос. Чем меньше разность , тем больше величина . Для некоторых средних условий величина коэффициента преобразования может достигать 3 ¸ 5.

В реальных условиях в цикле ПКУ происходят необратимые процессы, обусловленные потерей энергии. Различают внутреннюю и внешнюю необратимость. Внутренняя необратимость характеризует потери, обусловленные нарушением равновесия в хладагенте - фреоне (например, из-за трения или различия температуры пара в разных точках цилиндра компрессора). Внешняя необратимость определяется разностью температур при работе ТН (например, при замене идеального дросселя дросселем с потерями, нарушением равновесия между хладагентом и охлаждаемой или нагреваемой средой).

2. Описание работы реальной фреоновой ПКУ в диаграммах и lq Р-1.

На рис. 2 изображены: диаграмма lq Р-i с указанием характерных линий и цикл реальной ПКУ, работающей в режиме теплового насоса на диаграммах lq Р-i и .

Рисунок 2 - Цикл реальной установки ПКУ в диаграммах lq Р-i и

а) Расположение на диаграмме lq Р-i характерных линий,

используемых при построении цикла ПКУ;

б) Цикл ПКУ на диаграмме lq Р-i;

в) Цикл ПКУ на диаграмме lq T-S

На рисунке 3 приведена схема лабораторной ПКУ, которая определяет характер протекающих в цикле ПКУ процессов.

Из сопоставления рисунков 2 и 3 видно, что первоначально компрессор засасывает из испарителя хладагент – фреон в виде влажного или сухого насыщенного пара при давлении выше атмосферного и отрицательной температуре (точка 1). Если в схеме ПКУ (рис. 3) предусмотрен теплообменник, то в точке 1 пар может быть и перегретым. Затем пар сжимается по адиабате 1-2 до более высокого давления, причем конечная температура фреона должна быть уже положительной и превышать температуру окружающего воздуха, который в данной установке играет роль нагреваемого объекта (точка 2). Компрессор выталкивает сжатый, обычно перегретый пар в конденсатор, где охлаждающий воздух отнимает от него теплоту перегрева и парообразования (процесс 2-3-4), вследствие чего пар при полностью конденсируется (точка 4). При наличии в схеме (рис. 3) теплообменника конденсат может переохлаждаться. После этого конденсат проходит через регулирующий вентиль, в котором дросселируется до давления испарения (процесс 4-5 происходит при ). Далее хладагент поступает в испаритель, где испаряется при (процесс 5-1) и вновь засасывается компрессором. После этого цикл возобновляется.

Работа адиабатного сжатия 1 кг хладагента в компрессоре равна:

, кДж/кг. (3)

Рис. 3. Схемы: а) лабораторной фреоновой ПКУ;

б) измерения температуры фреона и воздуха

I – компрессор; II – конденсатор; III – ресивер; IV – охладитель (регенеративный теплообменник); V – осушитель; VI – терморегулирующий вентиль (ТРВ); VII – испаритель; VIII – кожух вокруг испарителя для циркуляции охлаждаемого воздуха; IХ – анемометр для измерения скорости циркулирующего воздуха; Х₁…Х₁₀ – места расположения термопар для измерения температур в соответствии с журналом наблюдений (таблица в приложении); А –переключатель термопар; В – сосуд с тающим льдом (нулевой термопарный спай при ^оС); С – прибор для измерения температуры в mV (патенциометр ПП-63 или цифровой вольтметр)

На диаграмме соответствует площади 1,2,3,4,в,1,а площадь 5-1-d-с-5 под процессом 5-1 изображает затраченную на испарение одного килограмма фреона теплоту , отведенную от холодного источника. По диаграмме lq Р-i (рис. 2) величина определяется как разность энтальпий:

, кДж/кг. (4)

Коэффициент преобразования для реальной ПКУ, работающей в режиме ТН при использовании диаграмм на рис. 2, можно представить в виде выражения:

. (5)

При повышении эффективности работы ТН в выражении 5 увеличивается числитель и уменьшается знаменатель.

3. Конструктивные особенности лабораторной ПКУ,

моделирующей работу воздухо-воздушного теплового насоса.

Лабораторная ПКУ (рис. 3) на базе промышленного холодильного агрегата ВС-630, приводимого в действие электродвигателем номинальной мощностью 0,42 кВт. В качестве хладагента в установке используется фреон 12.

Компрессор 1 сжимает хладагент от давления в испарителе до давления в конденсаторе. В конденсаторе II происходит снятие перегрева и конденсация паров фреона. Теплоносителем, забирающим тепло от конденсатора, является воздух (нагреваемый объект), проходящий через оребрение. Конденсация хладагента происходит в змеевике конденсатора, выполненного из оребренной медной трубки диаметром 10 х 1 мм. Затем фреон поступает в ресивер III, предназначенный для хранения запаса фреона в жидком виде, и обеспечивающий стабильность работы агрегата при незначительных утечках хладагента и при переменных нагрузках. После ресивера жидкий фреон охлаждается в теплообменнике IV обратным потоком фреона, идущим от испарителя к компрессору. Из теплообменника хладагент поступает в фильтр-осушитель V, где освобождается от влаги. Терморегулирующий вентиль VI предназначен для управления процессом дросселирования. При дросселировании давление фреона падает от до . После ТРВ парожидкостная смесь поступает в испаритель VII, где испаряется за счет подвода тепла от потока воздуха, продуваемого между ребрами испарителя в кожухе VIII. Скорость воздуха, обдувающего испаритель, измеряется анемометром IX.