10123

конденсаторе происходит конденсация паров рабочего вещества и выделение теплоты конденсации, которая должна быть отведена. Из конденсатора рабочее вещество, находящееся в жидком состоянии, поступает через регулирующий вентиль, уменьшающий давление, в испаритель, где происходит испарение жидкости. Теплота, необходимая для испарения, должна быть подведена к испарителю. Тепловые насосы могут использовать в качестве источника тепловой энергии воду, либо воздух и передавать теплоту воде (водо-водные или воздухо-водяные) либо воздуху (водо-воздушные или воздухо-воздушные).

В системах отопления и вентиляции применяют воздухо-воздушные тепловые насосы.

В качестве источника тепловой энергии возможно использование вытяжного воздуха, отработанной воды системы горячего водоснабжения,

грунта, подземных и морских вод, наружного воздуха, солнечной энергии.

Приводами компрессоров в тепловых насосах могут служить электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, работающие на природном газе, бензине и т.п. Наиболее широкое распространение получили электродвигатели и двигатели, работающие на природном газе. Применение тепловых насосов с компрессорами, работающими от электродвигателя, обычно позволяет получить теплоноситель с температурой 50 ÷ 60 . Более высокую температуру (до 90 ÷ 95 ) получают с помощью компрессора, работающего от газового двигателя, утилизируя теплоту уходящих выхлопных газов,

охлаждающей двигатель воды и смазочного масла. При этом коэффициент использования топлива можно довести до 80 % (доля энергии топлива,

передаваемая в двигателе приводу компрессора, составляет 30 %: теплота,

утилизированная в системе, составляет 50 %).

На рис.4.2 приведена принципиальная схема теплового насоса с газовым двигателем (в котором сжигается природный газ) для привода компрессора.

Мощность двигателя регулируется путем изменения расхода газа или соотношения количества топлива и воздуха. В конденсаторе вода нагревается до температуры, при которой она может использоваться для целей горячего

85

водоснабжения или напольного отопления помещений, подогрева воды в бассейнах и т.д. В результате прохождения через водоохлаждающую рубашку блока газового двигателя вода нагревается до 80 ÷ 85 , а затем проходит через теплоутилизатор, где догревается за счет теплоты продуктов сгорания. При этом выхлопные газы охлаждаются (от 650 до 105 ).

К недостаткам поршневых газовых двигателей относится высокий уровень шума (до 96 дБ). В связи с этим на стадии проектирования таких установок следует уделять внимание мероприятиям по

шумозащите.

Рис. 4.2. Принципиальная схема системы отопления с тепловым насосом, использующим газовый двигатель 1 – отопительные приборы; 2 – трубопроводы систем

отопления; 3 – теплоутилизатор отходящих газов; 4 – отходящие газы; 5 – газовый двигатель; 6 – компрессор; 7 – источник низкопотенциальнй тепловой энергии.

4.3. Рабочие вещества (агенты)

При разработке тепловых насосов большое значение имеет выбор вида рабочего вещества, поскольку оно в значительной степени влияет на величину коэффициента преобразования энергии. Идеальное рабочее вещество должно характеризоваться химической стабильностью (отсутствием разложения и полимеризации при рабочих температурах), химической инертностью по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам,

невоспламеняемостью, не токсичностью, низкой стоимостью, невысоким давлением конденсации (не более 1,2 мПа) и низким давлением кипения,

близким к атмосферному, высокой (относительно температуры конденсации)

критической температурой и низкой температурой замерзания (ниже температуры кипения), а также высокой эффективностью холодильного цикла.

Последнее требование является комплексным. Поскольку хладагента, который отвечал бы всем перечисленным требованиям при использовании его во всем диапазоне температур кипения и конденсации, не существует, применяют хладагенты, удовлетворяющие наиболее важным требованиям.

86

В тепловых насосах компрессионного типа в качестве рабочего вещества

используют главным образом хладоны (табл.4.1 и 4.2)

Наибольшее распространение получил хладон R12. Это наиболее тяжелый бесцветный текучий газ с очень слабым сладковатым запахом эфира,

безвреден для человека, не токсичен. В жидком состоянии не проводит электрического тока, хорошо растворяет смазочное масло, в рабочем диапазоне температур не горюч и не взрывоопасен. Его применяют в одноступенчатых среднетемпературных машинах в диапазоне температур кипения +10 ÷ 25 .

Он позволяет получать температуры в конденсаторе не более 55 ÷ 60 .

Перспективен для применения в тепловых насосах хладон R142, с

помощью которого теплоноситель нагревается до 90 ÷ 100. Недостатком этого хладона является его горючесть.

При оценке рабочих веществ необходимо обращать внимние на их объемную тепловую мощность, степень сжатия и максимальное давление в компрессоре. В табл. 4.1 приведены эти характеристики для некоторых видов хладонов. Наиболее высокой объемной тепловой мощностью обладает хладон

R12. Для выработки одного и того же количества теплоты его требуется почти в

3 раза меньше, чем, например, хладона R11 и в 2 раза меньше, чем хладона

RC318. Главный недостаток хладона R12 – высокое давление на стороне конденсации, вследствие чего максимальная температура теплоносителя,

достигаемая в тепловых насосах с хладоном R12, не превышает 60 . Для получения более высоких температур конденсации применяют

последовательное сжатие рабочего вещества в двух группах компрессоров.

87

В системах кондиционирования воздуха в настоящее время применяют

хладагенты:

– хладагент R11 в холодильных машинах с температурой кипения до – 20 ,

промышленных кондиционерах, турбокомпрессорах;

–хладагент R12– для получения средних температур в бытовых холодильниках, торговом холодильном оборудовании;

–хладагент R502 – в низкотемпературных холодильных установках;

–хладагент R22 – в холодильных установках, кондиционерах, тепловых насосах;

–хладагент R123 – для замены хладагента R11;

Впромышленных установках применяют хладагенты:

–хладагент R717 (аммиак);

–хладагент R744 – дешевый, нетоксичный, негорючий хладагент, совместимый с минеральными маслами, электроизоляционными и конструкционными материалами;

–хладагент R728 (азот) – в низкотемпературных холодильных установках;

–хладагент R290 (пропан) – совместим с минеральными маслами,

электроизоляционными и конструкционными материалами.

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Задачей гидравлического расчета является определение величины потери

давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты

(теплообменники). Падение давления в теплообменниках при прохождении теплоносителя по трубам и в межтрубном пространстве складывается из потерь на сопротивления трению и на местные сопротивления,

Па, т.е.

где λ – коэффициент гидравлического трения (величина безразмерная; для стальных труб λ≈0,03, для латунных λ≈0,02); l – длина трубы или канала, м;

89

dэ = 4 – эквивалентный диаметр сечения канала, м; ω – средняя скорость движения теплоносителя на данном участке, м/с; – плотность теплоносителя,

кг/м3; – площадь сечения прохода теплоносителя, м2; S – смоченный периметр прохода теплоносителя, м; – сумма коэффициентов местных сопротивлений (табл. 5.1).

При перекачке вязких жидкостей рекомендуется коэффициент гидравлического трения определять по эмпирической зависимости:

сечения вследствие изменения объема (например, при нагревании) вызывает

сообщается с окружающей средой (атмосферой, пространством под вакуумом и т. д.), надо учитывать гидростатическое давление столба жидкости по формуле

где ∆гс – гидростатическое давление, Па; h – расстояние по вертикали между входом и выходом теплоносителя, м (берется со знаком плюс при движении

теплоносителя сверху вниз и со знаком минус – при движении снизу вверх); 1

и 0 – средние плотности теплоносителя и окружающего воздуха, кг/м3.

При движении теплоносителя по замкнутому контуру, без разрыва струи,

величина ∆гс = 0.

Из сказанного выше следует, что в общем случае полное падение