Экспериментальное исследование энерготехнологического комплекса опреснения морской воды на базе теплового насоса. Часть 1. Тепловой насос

Теплонасосная установка преобразует теплоту низкопотенциального источника в теплоту нагретого теплоносителя через промежуточный теплоноситель – хладагент [1, 2]. Основными элементами конструкции тепловых насосов стандартно являются испаритель, конденсатор, компрессор, дросселирующий вентиль [3, 4].

Термодинамические и эксергетические методы используются для анализа производительности установок, процессов и методов расчета с точки зрения энергоэффективности и устойчивости системы [5, 6]. Термодинамический анализ используется для расчета тепловых потерь, подводимой и вырабатываемой энергии системы, а метод потоков эксергий используется для расчета потенциала улучшения энергоустойчивости системы [7, 8]. Термодинамический и эксергетический методы можно использовать вместе для определения суммарного воздействия на повышение как энергоэффективности, так и устойчивости системы [9, 10].

Эксергетический анализ является бесценным инструментом для оценки эффективности энергетических систем [11, 12]. Он дает представление не только о количестве потребляемой или производимой энергии, но и о качестве энергетических ресурсов, используемых в энергопотребляющих и энергопроизводящих установках [13, 14]. Сочетая количественные и качественные измерения, эксер-гетический анализ может определить наиболее неэффективные компоненты технологии и предложить способы снижения потерь энергии. Это значительно улучшает понимание энергетических потерь и позволяет инженерам проектировать более эффективные теплоэнергетические системы [15, 16].

Авторы статьи предварительно провели анализ работ в мировом научном сообществе в части тепловых насосов [11–14], теплообменников для конденсаторов и испарителей [15–17] и использования различных источников теплоты [18–20].

Методология

Рассматриваемая авторами методология является научным подходом к решению задач расчета эффективности и оптимизации при проектировании энерготехнологических комплексов, совмещающих тепловой насос (в том числе с турбодетандером для реализации органического цикла Ренкина), фотоэлектрическую панель, опреснительную установку, а также опционно – гелиоконцентратор (солнечный концентратор) и ветрогене-ратор. Кроме того, научный подход не отрицает возможности работы не только по циклу Ренкина, но и по циклу Калины, поскольку методологическая база не меняется.

На рис. 1 представлена базовая схема работы

Рис. 1. Базовая схема энерготехнологического комплекса Fig. 1. Basic scheme of the energy-technological complex

Рис. 2. Усовершенствованная технологическая схема опреснителя Fig. 2. Improved technological scheme of the desalination plant

энерготехнологического комплекса, реализованного авторами. В статье рассмотрена первая часть установки – тепловой насос. На рис. 1 приняты следующие обозначения: 1 – низкотемпературный источник теплоты, 2 – испаритель, 3 – фотоэлектрическая панель, 4 – дополнительный (резервный) нагреватель, 5 – компрессор, 6 – конденсатор, 7 – детандер (капиллярная трубка), 8 – нагретая вода, 9 – клапан, 10 – основной бак опреснителя, 11 – паровой компрессор, 12 – теплообменник-конденсатор дистиллята, 13 – выход опресненной воды, 14 – выход соленой воды.

На рис. 2 показана усовершенствованная технологическая схема. Элементы, которыми дополнена схема: 15 – турбодетандер, 16 – ветроуста-новка, 17 – гелиоконцентратор (солнечный концентратор).

Схема на рис. 2 также может работать и по циклу Калина. Принципиальных отличий нет.

Совмещение методик энергетических балансов термодинамического анализа и эксергетического метода при использовании в основной схеме

Цель методики – определение теплового коэффициента цикла ε ; определение количества тепла Q 2 , необходимого нагревателю; оценка количества теплоты Q 1 , переданной воде; построение процесса на диаграмме lg P – i для используемого хладагента R407С.

Принципиальная схема установки показана на рис. 3.

Рабочим веществом является фреон R407c, который перемещается по контуру системы. Испа-

Рис. 3. Принципиальная схема установки Fig. 3. Schematic diagram of the installation

Рис. 4. T – s -диаграмма с циклом теплового насоса: 1–2 - процесс адиабатного сжатия хладагента в компрессоре; 2–3 - процесс отвода тепла от конденсатора для нагрева воды (давление P ₂ и температура t 2 не меняются); 3–4 – процесс дросселирования; 4–1 - процесс подачи тепла в испаритель (давление P ₁ и температура t ₁ не меняются) Fig. 4. T – s diagram with the heat pump cycle: 1–2 – the adiabatic compression of the refrigerant in the compressor; 2–3 – the heat removal from the condenser for water heating (pressure P ₂ and temperature t ₂ do not change); 3–4 – the throttling process; 4–1 – supplying heat to the evaporator (pressure P 1 and temperature t 1 do not change)

р и те л ь ра бота ет д л я пре обр а з ов а ния га з ообра зного в еще с тв а в жид кос ть при низкой те мпе ра т уре и давлении. Затем компрессор сж и ма е т жид ки й хл ада ген т, п ов ыш а я д ав л ен ие д о 19 ба р и те м пе ра т ур у до 85 ° C . П ос л е прох ож ден ия ком пре с с ора х л адаген т пос ту п ает в те п л ооб м е нн ик (ко нденс а тор). З д е сь он отд ае т с в ое те пл о в оде , пре в ра ща я е е обр а тн о в ж и дк у ю форму под да в л е н и ем . Вода под ается в с ис те му че ре з з а л ивн у ю горл ов и н у и в ыходит чере з с ливной кра н. П ос л е того как скон денси ров ан ны й х л ада ген т п рох оди т че рез ра с шир ител ь ный кл апа н, д авл е н ие зна чи те л ь но с н иж а етс я, ч т о прив од ит к ис па рению ча с ти жидкости. Э та см е с ь ж идкос т и и па ра у х од ит в ис паритель. Жидкость пре в ра ща е тся в па р, и с па ряяс ь пр и де йствии теп л оты ФЭ П и л и дополн ител ьного на гре в ате ля. З а с че т этого происх оди т з аки па н ие в испа рител е , которое п отреб л яет теп л о от окру ж а ющей с ре ды.

Затем перегретый пар выходит из испарителя, и цикл повторяется.

Установка оснащена датчиками температуры, расположенными за ФЭП и в теплообменнике, а также датчиками температуры и давления перед компрессором и расширительным клапаном и за ними.

Алгоритм методики

Цикл теплового насоса в Т – s -диаграмме (рис. 4). Т – абсолютная температура, К; s = dq/Т – удельная энтропия – термодинамический параметр состояния, кДж/(кг·К).

Экспериментальное исследование.

Построение процесса на диаграмме P – i

По известным начальным параметрам фреона P ₁, t ₁ находим на диаграмме (рис. 5) точку 1.

1. Из известных данных используем давление

120 140 160 180 200 220 240 260 280

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580

Enthalpy [kJ/kg]

Рис. 5. Цикл теплового насоса, построенный на P – i -диаграмме Fig. 5. Heat pump cycle based on P – i diagram

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

и температуру с датчика 3 и находим точку 2 (после сжатия в компрессоре).

• 2.    По данным из табл. 1 P ₄, t ₄ находим точку 4.

• 3.    Проводим из точки 2 горизонтальную прямую до линии насыщения и строим перпендикуляр от точки 4. В месте пересечения прямых ставим точку.

• 4.    Найдем точку 2а.

Зная, что отношение

Найдем степень сухости в точке 1.

5 1 — 5₃

x1 =------ s 2 - s з

1,83 - 1,24

1,87 - 1,24

= 0,94.

Удельное количество теплоты и работа цикла показаны в табл. 2.

Характерные величины работы системы отопления показаны в табл. 3.

i2 - Ч = ia-i-,

Па для фреоновых компрессоров ηа, при b = 0,0025 определяется как

Па = T + b ■ t0,

Tк то энтальпия точки 2а находится по формуле ia =Па(i2 - ii) + ii.

Методика расчета

По полученным данным заполняется табл. 1.

Степень сухости насыщенного пара выражается отношением массы сухого пара к массе влажного пара. Она может варьироваться от 0, когда пар находится в жидком состоянии, до 1, когда он полностью свободен от влаги [9]. Это измерение можно использовать для определения содержания влаги в насыщенном паре.

Эксергетический метод оценки эффективности работы теплонасосной установки

Необходимо оценить эффективность работы ТНУ. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: определение энтальпии, энтропии и эксергии в характерных точках цикла ТНУ, построение цикла ТНУ в i – s -координатах, а также составление эксергетического баланса ТНУ.

Алгоритм метода

На основе известных параметров характерных точек цикла ( Р , Т , i , s , е ) можно построить данный цикл в i – s -координатах, что приведено в табл. 4. Затем эти показатели можно анализировать [7, 8].

Диаграмма lg p – i используется для расчета энтальпии i о.с и энтропии S о.с окружающей среды для данного хладагента при температуре Т о.с и давлении Р _о.с = 98,1 кПа (1 атм). Пересекающиеся изотерма и изобара дают значения энтальпии и энтро-

Опытные данные

Experimental Data

Table 1

Номер точки	Давление P		Температура		Энтальпия i , кДж/кг	Энтропия s , кДж/(кг·К)
	Бар	МПа	t , °С	T , К
1	3,5	0,35	3	276	419	1,83
2	19	1,9	85	358	472,75	1,87
2а	19	1,9	75	348	462	1,83
3	19	1,9	45	318	272	1,24
4	3,5	0,35	–11	262	272	1,275

Удельное количество теплоты и работа цикла

Table 2

Specific amount of heat and cycle work

Формула/способ определения	Значение	Единицы измерений
q 1 = h 2 – h 3	200,75	кДж/кг
q 2 = h 1 – h 4	147	кДж/кг
l цикла = q 1 – q 2 = h 2 – h 1	56,75	кДж/кг

Характерные величины работы системы отопления

Table 3

Key values of the heating system

Формула/способ определения Значение Единицы измерений G = N/l цикла 0,003 кг/с Q1 = q1·G 0,602 кВт Q2 = q2·G 0,441 кВт ^ = q 1/l цикла 3,5 – пии хладагента [9, 10]. Цикл ТНУ в i–s-координа-тах показан на рис. 6.

Значения параметров для подсчёта удельных эксергий хладагента в характерных точках показаны в табл. 5.

Значения удельных эксергий хладагента в характерных точках представлены в табл. 6.

Характерные величины цикла показаны в табл. 7.

В отличие от энергетического баланса эксер-

гетический баланс рассматривает степень технической полезности энергии, определяемую температурным потенциалом тепловых потоков [11]. Компрессор обеспечен двумя источниками энергии: подводимой электрической энергией E _э· η _м· η _э· η _п и эксергическим расходом всасываемого рабочего агента G рa e 1 , эксергия потока рабочего агента G _рa e ₂. Значения эксергий хладагента в характерных точках показаны в табл. 8.

Таблица 4

Рис. 6. Цикл ТНУ в i – s -координатах Fig. 6. HPU cycle in i – s coordinates

Характеристики хладагента в характерных точках

Characteristics of the refrigerant at key points

Table 4

Номер точки	Давление P		Температура		Энтальпия i , кДж/кг	Энтропия s , кДж/(кг·К)	Эксергия е , кДж/кг
	Бар	МПа	t , °С	T , К
1	3,52	0,352	2,88	275,88	419	1,84	33,81
2	19	1,9	85	358	474	1,86	82,95
3	19	1,9	44	317	270	1,24	60,61
4	3,52	0,352	–11	262	270	1,275	50,355

Таблица 5

Значения параметров для подсчёта удельных эксергий хладагента в характерных точках

Table 5

Parameter values for calculating the specific exergies of the refrigerant at key points

Параметры	Значение	Единицы измерений
i о.с	435	кДж/кг
S о.с	2,01	кДж/(кг·К)
T о.с	293	К

Таблица 6

Значения удельных эксергий хладагента в характерных точках

Table 6

Values of specific refrigerant exergies at key points

Параметры	Значение	Единицы измерений
e = i - T o.c • 5 - ( i o.c - T o.c • S o.c )
e 1	33,81	кДж/кг
e 2	82,95	кДж/кг
e 3	60,61	кДж/кг
e 4	50,355	кДж/кг
A e = e i + 1 - el
Δ e 2–1	49,14	кДж/кг
Δ e 3–2	22,34	кДж/кг
Δ e 4–3	10,255	кДж/кг
Δ e 1–4	16,545	кДж/кг
Δ e тну = ΣΔ e
Δ e тну	0	кДж/кг

Таблица 7

Характерные величины цикла

Table 7

Characteristic quantities of the cycle

Формула/способ определения	Значение	Единицы измерений
V 0 = G pa • V1	0,00024	м3/с
q — QP v    V 0	2587,5	кДж/м3
Q ок — G pa • q ок	0,009	кВт
Q t — Q 1 + Q ok	0,621	кВт
П м = 0,98 - 0,008 • Р- Р 0	0,936	–
n = 0,97 - 0,02 • -к- э Р 0	0,86	–
Ni в П м	0,17	кВт
N э = "N^ П э П п	0,198	кВт
N э Эт — Т   QТ	0,31	–
A N — 0,035 + 0,015 • N э	0,03797	кВт
Л Э Т —A N QТ	0,061	–
Э т — Э Т + л э т	0,371	–
ц' — Q L — J- N э Э Т	3,136	–
ц —     — X N э +A N Э Т	2,63	–
♦     Т Э * — 1 - Т ^.с-к         ср Т ВК	0,21	–

Окончание табл. 7

Table 7 (end)

Формула/способ определения	Значение	Единицы измерений
Э* П т.с = Э к	0,677	–
Э* к П т.с Э	0,566	–

Таблица 8

Значения эксергий хладагента в характерных точках

Table 8

Выводы

• 1.    Получены экспериментальные данные по тепловому насосу в составе энергокомплекса.

• 2.    Далее необходимо привести анализ расчётных составляющих баланса с оценкой эффектив-

• 3.    Работа второй части энергокомплекса по опреснению морской воды будет рассмотрена во второй части статьи.

Результаты сведены в таблицу эксергетиче-ского баланса установки (табл. 9).

ности работы отдельных элементов и схемы в целом, а также дать рекомендации по проведению возможных мероприятий с целью снижения потерь эксергии в установке.

Values of refrigerant exergies at key points

Формула/способ определения		Значение	Единицы измерений
E вх = N э + DN		0,23597	кВт
E э = N э		0,198	кВт
E т = G ра " ( е 2 - е 3 )		0,067	кВт
D = П-к -к -к YE эм (± "м "э "п ) ^э		0,0386	кВт
D KM = E э ■ hM ■ h э ■ h ,- G pa ■	( е 2 — е 1 )	0,0119	кВт
т" — Т* ср    вк    вк вк =       гр,, ln T вк Т ' вк		371	К
Г т ET 1 = Qt ■ 1 - -;Cf V Т вк 7		0,13	кВт
Е и = G xa ■ ( e 4- e l )		0,0495	кВт
D u = E и		0,0495	кВт
Е с.н = E вх ■ ( 0,01 ^ 0,03 )		0,00589	кВт

Таблица 9

Эксергетический баланс ТНУ

Table 9

Exergy balance of HPU

Подводимая эксергия		Отводимая эксергия
Статьи прихода	кВт	Статьи расхода	кВт	% к E вх
Суммарная электрическая мощность, подводимая к установке, включая собственные нужды ( Е вх )	0,23597	Эксергетическая теплопроизводительность, Е Т 1 : Потери: в компрессоре: – электромеханические – внутренние в испарителе: – от необратимости теплообмена – собственные нужды	0,13 0,0386 0,0119 0,0495 0,00589	55 16 5 20 2,5
Итого		Итого	0,23589