Испытание теплового насоса для теплоснабжения индивидуального дома

Значительное место в области применения теплонасосной техники принадлежит небольшим тепловым насосам (ТН) для теплоснабжения и горячего водоснабжения индивидуальных домов теплопроизводительностью 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 °C. Если вода используется только на отопление, температура может быть ниже. Если требуемый нагрев воды 55 °C и ниже, то в качестве рабочего вещества можно использовать R22, для более высоких температур теплоносителей использование R22 невозможно в связи с высоким 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 озонобезопасное рабочее вещество R134a.

Нагрев воды в ТН характеризуется большой разностью температур воды (в конденсаторе) не менее 10 °C. При выборе рабочего вещества, альтернативного R12, целесообразно использовать зеатропную смесь (ЗС) со значительной неизотермичностью (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 построена 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 повышения 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 показатели 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 противоточном 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 моновеществ рассмотрен обычный регенеративный цикл Т2 (рис. 1) с разностью температур на тёплом конце регенеративного теплообменника +15 °С.

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.

Рисунок 1. Принципиальные схемы и термодинамические циклы теплового насоса Из табл. 1 следует, что энергетическая эффективность ТН при работе на ЗС выше на 15−17%, чем при работе на моновеществе.

теплообменный насос конденсация кипение Таблица 1.

Влияние сокращения внешних необратимых потерь при теплообмене выявляется по показаниям «базового» цикла, эффективность которого 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 высокого 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» разработан 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 системы 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 температуре — 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 характеристиками ТН при работе на ЗС.

Таблица 2.

Для исследования характеристик ТН, работающего на ЗС, испытательный стенд должен быть достроен, путём включения в схему регенеративного теплообменника специальной 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 вещество — в межтрубном (оребрённом) канале. Возможно также использование для этих условий аппаратов пластинчатого типа противоточной схемой (кипение или конденсация 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. Расчёты 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 для 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 получены 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 компрессора 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.