38

Цикл работы ТН по T-S-диаграмме:

Рис. 1. Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса при использовании тепла сточных вод: 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - переохладитель; 4 - промежуточный сосуд; 5 - испаритель.

Рис. 2. Р-Н диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого теплового насоса на хладагенте R-134a на сточных водах.

Выводы

1. Расчеты показывают, что высокотемпера­турные тепловые насосы большой мощности с двухступенчатыми центробежными компрессо­рами могут обеспечить нагрев горячей воды до 85-90 °С и иметь коэффициент трансформации тепла =2,3-2,6 на сточных водах, морской и речной воде и =4-5 на обратной сетевой воде в зависимости от температуры хладагента в испа­рителе.

2. Необходимо определить наиболее эффек­тивные тепловые схемы с высокотемпературны­ми тепловыми насосами для систем цт в раз­личных регионах России.

3. Необходимо разработать новые хладаген­ты для высокотемпературных тепловых насосов, не влияющие на глобальное потепление и озо­новый слой.

Физическая модель теплонасосных опреснителей соленой воды

Рис. 1. Теплонасосный опреснитель соленой воды: а — упрощенная принципиальная схема опреснителя; б — упрощенная схема теплового насоса; в, г — термодинамический цикл ТН в координатах t—S u p—i; 1—2 — сжатие рабочего вещества в компрессоре; 2—3 — охлаждение и конденсация рабочего вещества в конденсаторе; 3—4 — дросселирование жидкого рабочего вещества в дроссельном вентиле; 4—1 — кипение рабочего вещества в испарителе; 5 — герметичный сосуд; 6 — конденсатор; 7— испаритель; 8 — компрессор; 9 — дроссельный вентиль; 10— насос для подачи соленой воды; 11 —рекуперативный теплообменник; 12 — вывод пресной воды; 13 — вывод концентрированной соленой воды (рассола); 14 — переохладитель рабочего вещества.

Свойства r123

Рабочее вещество R123 существенно отличается от широко применяемых и хорошо исследованных холодильных агентов своими теплофизическими свойствами, прежде всего

• рекорд­но высокой молекулярной массой,

• высокой нормаль­ной температурой кипения и

• критической температурой.

Принятые зависимости для расчета теплообменных аппаратов ТНО

Процесс	Зависимость (формула)	Условие применения	Режим течения	Ожидаемый коэффициент , Вт/(м^2К)
Нагрев соленой воды	 = 0,344Re^0.705Pr^0.33dЭKB, 45 < Re < 13200	Re = 1543	Турбулентный	8160
Охлаждение дистиллята		Re = 1710	Турбулентный	8590
Нагрев соленой воды		Re = 2901	Турбулентный	12700
Охлаждение рассола		Re = 3033	Турбулентный	13000
Конденсация водяного пара	конд = 1,288[^3^2rконД/(dн)]^0.2^5	GaKPr<10^15 GaKPr = 8,510^12	Ламинарный	23700
Догрев соленой воды	(?)=0,021Re^0.8Pr^0.43R/dBH	Re = 10^4---5 • 10^6 Re = 2,8 • 10^4	Турбулентный	3970
Кипение соленой воды	Kип = 0,54(GrPr)^0.25/dH	Gr Pr = 500---2 • 10^7GrPr = 2,4  10^6	Конвективный	720
Переохлаждение R123	 = 0,021Re^0.8Pr^0.43R/dЭКB	Re = 10^4---5 • 10^6 Re = 1,5 • 10^5	Турбулентный	1970
Конденсация R123	конд = 0,683(GaKPr)^0,25R/dBH	GaKPr<10^15GaKPr=l,110^12	Ламинарный	2220
Кипение R123	 = a V + конв, av = 55Pr^0.12(logPr)^-0.55M^-0.5q^0.67, конв = 0,023Re1^0.8Pr^0'^4/dBH	Pr = P/PKp, Pr = 0,0023---0,895	-	-

Выводы

1. Применение термодинамического цикла теплового насоса обеспечивает полную рекуперацию тепла фазовых превращений воды в одноступенчатом процессе дистил­ляции.

2. Рабочие параметры теплового насоса и дистилля­тора, определяющие потребление энергии ТНО, жестко связаны и имеют строгое аналитическое описание.

3. Энергоэффективность определяется коэффициен­том преобразования теплового насоса.

4. Выбранное экологически безопасное рабочее веще­ство R123 может быть использовано для температурных режимов дистилляции от 40 до 100 °С. При этом в пре­деле может быть достигнута энергоэффективность на уровне 5 кВтч/м³.

5. Высокая энергоэффективность опреснения достига­ется при низких температурных напорах и тепловых по­токах в основных теплообменных аппаратах (испарителе и конденсаторе теплового насоса). Поэтому интенсив­ность процессов теплопередачи имеет первостепенное значение. Лимитирующими являются процессы кипения воды и рабочего вещества.

6. Процессы кипения и конденсации рабочего вещества должны происходить в каналах. При этом должно быть обеспечено низкое гидросопротивление в потоках, так как потеря давления напрямую и существенно снижает эффективность термодинамического цикла.

7. Для расчета коэффициентов теплоотдачи при ки­пении и конденсации воды, а также при конвективном охлаждении и нагреве жидких сред (соленой воды, ди­стиллята, рассола) при надлежащем обосновании режи­мов процессов теплоотдачи могут быть использованы известные зависимости.

8. Для расчета коэффициентов теплоотдачи при ки­пении и конденсации R123 известные зависимости не могут быть использованы напрямую, так как R123 явля­ется холодильным агентом узкого применения, обладает определенными теплофизическими свойствами и име­ет ограниченный круг экспериментальных исследований по теплоотдаче.

9. В качестве базовой модели для расчета теплоотдачи при кипении R123 выбрана модель Гунгора—Винтертона. В ходе экспериментального исследования теплопередачи в испарителе теплового насоса получено подтверждение правильности выбора этой модели.

10. Для получения достоверных данных об интенсивно­сти теплоотдачи при кипении R123 в канале испарителя надо определять величину необходимой теплообменной поверхности путем поэлементного расчета аппарата, а не оперировать средневзвешенными коэффициентами теп­лоотдачи для аппарата в целом.

11. Целесообразно и возможно применение центро­бежного компрессора теплового насоса, работающего на R123.

12. Полученные зависимости физической модели до­статочны для формирования методики расчета ТНО.

Рис. 1. Принципиальная схема работы теплового насоса

Рис. 2. Изображение процесса работы ТНУ в Т— s-ди­аграмме:

Рис. 4. График зависимости коэффициента трансфор­мации тепла одноступенчатой ТНУ от температуры в конденсаторе.

Рис. 3. Изображение в Т — s-диаграмме циклов работы ТНУ при разных температурах потребителя тепла

Рис. 5. Принципиальная схема каскадной тепловой на­сосной установки:

1, 2, 3, 4 - первая ступень каскада; 5, 6, 7,8- вторая ступень каскада; I - испаритель ТНУ первой ступени каскада; II - ком­прессор; III - конденсатор второй ступени каскада; IV - дрос­селирующее устройство; V - промежуточный теплообменник; tсв1 - температура сетевой воды на входе в конденсатор второй ступени каскада; t_CB2 - температура сетевой воды на выходе из, конденсатора второй ступени каскада

Рис. 6. Изображение процесса работы каскадной ТНУ в Т— s- диаграмме:1, 2, 3, 4 - первая ступень каскада; 5, 6, 7,8- вторая ступень каскада

Рис. 7. Зависимость коэффициента трансформации теп­ла каскадной ТНУ от температуры в промежуточном теп­лообменнике

Рис. 8. Схема двухступенчатого повышения давления в ТНУ с двумя кондесаторами:

1, 2, 3, 4 - первая ступень каскада; 5, б, 7,8- первая ступень нагрева сетевой воды, вторая ступень каскада; 9, 10, 11, 12 -вторая ступень нагрева сетевой воды, вторая ступень каскада; I - испаритель ТНУ первой ступени каскада; II - компрессор; III - конденсатор второй ступени каскада; IV - дросселирую­щее устройство; V - промежуточный теплообменник; t_{CB 1} -температура сетевой воды на входе в первую ступень нагрева; t_СВ2 - температура сетевой воды после первой ступени нагрева; t_{CB 3} - температура сетевой воды после второй ступени нагрева

Выводы