47359

ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Лабораторная работа

Физика

Изучение цикла теплового насоса. Определение отопительного коэффициента (коэффициента преобразования) теплового насоса. Определение количества низкопотенциальной теплоты, отбираемой у окружающей среды. Определение количества теплоты, передаваемой в систему отопления помещения.

Русский

2014-03-30

650 KB

32 чел.

Тепловой насос


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

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

Используемое оборудование: учебный стенд «Модель теплового насоса», датчики температур, контроллер температуры жидкости, амперметр.

1.1 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 1,12,3 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 2020г. 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.

Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине (рисунок 1.1.). Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах тепловые насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

Цикл работы холодильного агрегата осуществляется в соответствии с простыми физическими законами. Рабочая среда в виде уже охлажденной жидкости циркулирует в замкнутом контуре и при этом последовательно испаряется, конденсируется, сжижается и расширяется.

Рисунок 1.1 Контур теплового насоса:

А – Тепло окружающей среды, В – Компрессор, С – Подающая магистраль

отопительного контура, D – Обратная магистраль отопительного контура,

Е – Холодильный конденсатор, F – Расширительный клапан, G - Испаритель

Отбор тепла из окружающей среды. В испарителе находится жидкая рабочая среда (холодильный агент) при низком давлении. Уровень температур тепла окружающей среды на испарителе выше соответствующей давлению температуры кипения холодильного агента (агент подбирается таким, что может закипать даже при минусовой температуре). За счет этого перепада температур происходит передача тепла окружающей среды рабочей среде, которая при этом кипит и испаряется. Требуемое для этого тепло отбирается от источника тепла.

Повышение температуры в компрессоре. Парообразный холодильный агент постоянно отсасывается компрессором из испарителя и сжимается. При сжатии сильно повышаются давление и температура пара холодильного агента, может достигать 90-100°С и выше.

Отдача тепла системе отопления. Из компрессора парообразный холодильный агент попадает в конденсатор, омываемый и охлаждаемый теплоносителем. Температура теплоносителя ниже температуры конденсации холодильного агента, за счет чего пар охлаждается и сжижается (конденсируется). Поступившая в испарителе энергия (тепло) и дополнительно подведенная за счет работы компрессора электрическая энергия высвобождается в конденсаторе в результате конденсации и отдается теплоносителю.

Замкнутый цикл. Затем холодильный агент через расширительный клапан ТРВ подается обратно в испаритель. Давление холодильного агента снижается с высокого уровня в конденсаторе до низкого уровня в испарителе. При входе в испаритель снова обеспечиваются начальное давление и начальная температура. На этом цикл замыкается.

Теплогенерация.

Для рационального использования тепла окружающей среды в качестве источников тепла в распоряжении имеются грунт, вода и окружающий воздух. Все они накапливают солнечную энергию, в результате чего посредством этих источников тепла косвенно используется солнечная энергия.

Для практического использования этих источников тепла необходимо принять во внимание следующие критерии:

  •  достаточное наличие,
  •  как можно более высокая аккумулирующая способность,
  •  как можно более высокий уровень температур,
  •  достаточная регенерация,
  •  экономичное получение,
  •  низкие затраты на техническое обслуживание.

Термодинамическая эффективность теплового насоса определяется в целом коэффициентом преобразования (Coefficient of performance – COP).

Теоретический коэффициент преобразования (трансформации)

СОРа = ,     (1.1.1)

где  – температура выхода (нагревателя), К;

– температура входа (охладителя), К.

Коэффициент преобразования цикла Карно

карно = ;      (1.1.2)

где  – температура кипения, К;

– температура конденсации, К.

Теоретическая степень термодинамического совершенства

ηтеор = .     (1.1.3)

Действительный коэффициент преобразования

СОРдейств = ,    (1.1.4)

где  – количество теплоты, полученное на конденсаторе, Дж;

– затраты энергии компрессором, Дж.

Действительная степень термодинамического совершенства

ηдейств = ,     (1.1.5)

К преимуществам теплового насоса можно отнести:

- экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД (от 300% до 800%) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3–8 кВт тепловой энергии или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе;

- экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов — это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу. Тепловые насосы установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низко потенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2–2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива;

- безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки;

- надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15–25 лет;

- комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный климатический контроль создают комфорт и уют в помещениях;

- гибкость. Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях;

- универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой);

- широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч киловатт).

1.2 Описание установки и методика проведения работы

Стенд в целом состоит из холодильной машины, закрепленной на основании.

Технологическая схема стенда представлена на рисунке 1.2.1

Рисунок 1.2.1 – Технологическая схема стенда:

1 – компрессор; 2 – змеевиковый конденсатор; 3 – змеевиковый испаритель;

4 – ресивер; 5 – емкости наполненные водой; 6 – смотровой глазок; 7 – фильтр-осушитель; 8 – терморегулирующий вентиль; 9 – манометр высокого давления; 10 – манометр низкого давления; 11 – контроллер; 12 – датчик температуры на входе в конденсатор (№4); 13 – датчик температуры воды нагреваемой конденсатом (№6) – источник высокотенциального тепла (ИВП); 14 – датчик температуры на выходе из конденсатора (№5); 15 – датчик температуры на входе в испаритель (№1); 16 – датчик температуры воды охлаждаемой испарителем (№3) – источник низкопотенциального тепла (ИНТ); 17 – датчик температуры на выходе из испарителя (№2); 18 – термобаллон ТРВ, 19 – амперметр.

Рабочий стенд состоит из:

- Компрессора Атлант С-КО-200-Н5-02 поршневого типа, предназначенного для непосредственного сжатия пара поступающего из испарителя до необходимого давления;

- Конденсатора, представляющего собой змеевик согнутый из медных трубок. Служит для конденсации горячего пара поступающего из компрессора, при этом будет происходить подогрев воды в емкости, в которой находиться сам конденсатор;

- Испарителя, представляющего собой змеевик согнутый из медных трубок. Служит для выкипания хладагента прошедшего через терморегулирующий вентиль, при этом хладагент забирает тепло из емкости, в которой находиться испаритель;

- Фильтра-осушителя, который находиться на линии после конденсатора и служит для предотвращения попадания влаги (что может привести к обмерзанию ТРВ) и мелких частиц (которые могут забить сам ТРВ);

- Терморегулирующий вентиль (ТРВ), который служит для сброса давления до давления кипения хладагента и поддержания заполнения испарителя на заданном уровне;

- Смотрового глазка, который показывает наличие жидкого хладагента и степень содержания влаги в хладагенте при помощи индикатора расположенного по внутреннему диаметру глазка;

- Ресивера, который используется в качестве накопителя для хранения жидкого хладагента под давлением и как компенсатор;

- Контроллера, который служит для отключения компрессора от электропитания при достижение температуры в емкости с жидкостью в которой находиться конденсатор (заданная температура отключения 40°С плюс дифференциал в 2°С), и для контроля изменения температуры в емкости;

- Датчиков температур, которые необходимы для контроля рабочих параметров установки в целом, и контролируют температуры кипения на входе и выходе испарителя, температуры жидкости в емкостях, температуры конденсации на входе и выходе конденсатора;

- Амперметра, предназначенного для измерения потребляемого электродвигателем компрессора тока из питающей сети.

1.3. Порядок выполнения работы

  1.  Ознакомиться со схемой установки, оборудованием, приборами.
  2.  Изучить общее устройство установки, обратить внимание на все главные элементы теплового насоса в соответствии со схемой (см. рисунки 1.1. и 1.2.1);
  3.  Рассмотреть места установки датчиков температур и записать данные температур в таблицу журнала наблюдений. Рассмотреть также места установки манометров и измеряемые величины. Записать данные давлений и температур с манометров.
  4.  Подготовить установку к работе. Для этого необходимо последовательно выполнить следующие действия:
  5.  Включить холодильный агрегат в сеть;
  6.  Включить датчики температур и контроллер;
  7.  Запустить компрессор.
  8.  Порядок проведения эксперимента.
  9.  Дождаться выхода установки на стационарный режим, о чем будет свидетельствовать стабильность давлений на манометрах (обычно около 1 мин после включения установки).
  10.  Записать в журнал наблюдений для стационарного режима показания датчиков температур и контроллера, параметры давлений и температур на манометрах, а также потребляемый компрессором ток по показаниям амперметра.
  11.  Каждые 2 минуты заполнять журнал наблюдений за температурой воды на конденсаторе.
  12.  При достижении температуры воды на конденсаторе 40°С установка запрограммирована на отключение. При отключении установки записать показания датчиков температур и контроллера, параметры давлений и температур на манометрах.
  13.  Отключить последовательно компрессор, контроллер, датчики температур и питающую сеть.

Внимание!  Установку повторно включать можно только после выравнивания давления на манометрах (приблизительно после 30-40 мин). При несоблюдении этого требования возможно выход из строя компрессора.

1.4. Обработка результатов измерений

  1.  Зарисовать общую схему стенда и расстановку датчиков.
    1.  Заполнить журналы наблюдений (таблицы П.1 и П.2).
    2.  По результатам наблюдений построить графическую зависимость охлаждения воды на испарителе и нагрева воды на конденсаторе (координатные оси для построения графика указаны на рисунке П.1).
    3.  По результатам измерений провести расчеты тепловых характеристик установки, параметров термодинамической эффективности теплового насоса (таблица 3).
    4.  Построить цикл работы исследуемой установки при работе в стационарном режиме на нагрев жидкости используя lgP-I диаграмму холодильного агента R134а (рисунок П.2).
    5.  По результатам построения цикла работы теплового насоса провести расчеты удельных характеристик цикла (таблица П.3).

1.5 Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать.

  1.  Фамилию и инициалы студента, номер группы и факультет.
  2.  Название лабораторной работы.
  3.  Цель работы, оборудование и инструменты.
  4.  Основные понятия и расчетные формулы.
  5.  Схему и описание лабораторной установки.
  6.  Расчеты всех необходимых величин.
  7.  Заполненную таблицу опытных и расчетных данных.
  8.  Построенную графическую зависимость.
  9.  Построенный цикл работы теплового насоса в стационарном режиме.
  10.  Выводы по лабораторной работе исходя из анализа полученных опытных и расчетных данных.

1.6 Контрольные вопросы

Цель лабораторной работы и объект исследования.

Для чего нужны тепловые насосы, область их применения?

Почему тепловые насосы называют энергосберегающими машинами?

Устройство и принцип работы теплового насоса.

В чем принципиальная разница теплового насоса по сравнению с холодильной машиной?

Источники низко потенциальной теплоты.

Какие виды тепловых насосов бывают?

Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепловых насосах?

Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее?

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

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

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

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

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

Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса? Порядок его величины.

За счет чего происходит повышение температуры хладагента в тепловом насосе?

В какой части установки осуществляется подвод энергии?

Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

Перечислить величины, измеряемые в лабораторной работе, единицы измерения.

С помощью каких приборов проводились измерения?


Приложение 1. Результаты исследования

работы теплового насоса

Таблица П.1 - Журнал наблюдений за параметрами работы установки

№ датчика

температуры

Место

установки

датчика

Начало опыта

(компрессор отключен)

Установившийся режим

Промежу-точный

замер

Температура, ºС

1

2

3

4

5

6

Манометры

Место

установки

манометра

Давление,

Р, bar

Темпе-ратура,

°С

Давление,

Р, bar

Темпе-ратура,

°С

Давление,

Р, bar

Темпе-ратура,

°С

1

2

Таблица П.2 - Журнал наблюдений за параметрами

охлаждения воды на испарителе (ИНТ) и нагрева воды на конденсаторе (ИВТ)

Время опыта, τ,

мин

Температура,

°С

ИНТ

ИВТ

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

окончание

40

                                                 0  2  4  6  8  10  12  14  16 …                                             τ, мин


Таблица П.3. Журнал обработки результатов опыта

Опытные данные

Количество воды в

ёмкостях,                 кг

на испарителе

на конденсаторе

Начальная температура

в ёмкостях,             °С

на испарителе

на конденсаторе

Конечная температура

в ёмкостях,             °С

на испарителе

на конденсаторе

Потребляемый ток компрессором,             А

Мощность, потребляемая компрессором, Вт

Общее время опыта,                                     с

Справочные данные

Удельная теплоемкость воды,          

Тепловые характеристики установки

Количество тепла, поглощенного на

испарителе,                                           Дж

Количество тепла, отданного на

конденсаторе,                                       Дж

Затраты энергии компрессором,        Дж

Удельные характеристики теплового насоса

Теоретический коэффициент

преобразования,                                СОРа

Коэффициент преобразования цикла Карно,

                                                          карно

Теоретическая степень термодинамического совершенства,                                       ηтеор

Действительный коэффициент

преобразования,                                СОРдейств

Действительная степень

термодинамического совершенства,  ηдейств


Рисунок П.2. lgP-I диаграмма холодильного агента R134а


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82103. Алгоритм ориентирования сверхлегкого БПЛА по данным бортового фото-видео регистратора 1.45 MB
  В современном мире для решения задач мониторинга местности все чаще стали применятся беспилотные летательные аппараты БПЛА которые могут выполнять поставленную им задачу например полет по маршруту по заданным точкам в автоматическом режиме.
82104. СОБЫТИЙНЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ В РАЗВИТИИ ТУРИСТИЧЕСКОЙ ИНДУСТРИИ РЕГИОНА (НА ПРИМЕРЕ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ) 594 KB
  Важно также учитывать влияние глобальных процессов, таких как социальная мобильность, медиатизация и урбанизация, на преобразования, происходящие в регионах. Эти процессы интересны тем, что они приводят к интенсификации взаимосвязей между центральными и региональными системами.
82105. Электрогидравлический привод подачи фрезерного станка 1.61 MB
  Отсчет перемещения стола 10 относительно станины 9 осуществляется линейным индуктосином 11, который является индуктивным датчиком перемещения. Измерение осуществляется за счет сдвига вектора магнитной индукции при перемещении движка индуктосина относительно основной шкалы...
82106. Система автоматического регулирования температуры жидкости в системе охлаждения двигателя 858.5 KB
  Построение желаемой ЛАЧХ системы и оценка качества САР. Коррекция САР и расчет параметров корректирующего устройства Расчет переходной характеристики скорректированной САР Заключение. Для получения характеристического уравнения найдем главную передаточную функцию замкнутой САР.
82107. Электрогидравлический следящий привод с объемным регулированием 1.16 MB
  В систему также может подключаться с помощью выключателя 17 датчик угловой скорости 15 вала гидромотора. Сигнал от датчика обратной связи поступает на усилитель-сумматор, который определяет ошибку регулирования (где - управляющее напряжение) и усиливает сигнал ошибки.
82108. Электрогидравлический следящий привод с машинным управлением 923 KB
  В данной курсовой работе рассматривается электрогидравлический следящий привод с машинным управлением. Электрогидравлический следящий привод с машинным управлением (рисунок 1) имеет силовую часть, состоящую из регулируемого насоса 11 и гидродвигателя 12, и управляющую часть.
82111. Электрогидравлический следящий привод с дроссельным управлением 1.31 MB
  Датчик скорости: Постоянные времени и коэффициенты передач Функциональная схема электрогидравлического следящего привода с машинным управлением САР является регулированной системой по ошибке и многоконтурной по числу обратных связей. Данная схема САР состоит из: сравнительного элемента...