В данной статье рассматривается устройство бездроссельной теплонасосной установки и недостатки существующих конструкций теплонасосных установок. С учетом этого представлены отличительные особенности предлагаемой установки от существующих конструкций. Определен план проведения дальнейших исследований. Представлены характеристики рабочих температур ряда существующих теплонасосных установок и характеристики предлагаемого проекта.
Ключевые слова: бездроссельная теплонасосная установка, теплонасосная установка, тепловой насос, хладагент, компрессор, дроссель.
Бездроссельная теплонасосная установка (сокращенно БТНУ) позволяет осуществлять перенос тепловой энергии аналогичным образом, как и в существующих конструкциях теплонасосных установок (сокращенно ТНУ), но с расширенным диапазоном рабочих температур. Рабочим телом в бездроссельной теплонасосной установке также является хладагент. Данное вещество – это универсальный агент для переноса тепловой энергии, который позволяет разрабатывать новые конструкции теплонасосных установок, не прибегая к поиску вещества, выполняющего данную функцию.
Хладагент обладает свойством существенно изменять температуру кипения при незначительном изменении давления, например у хладагента R134а температура кипения при давлении 0,163·105 Па составляет -60°С, а при давлении 0,300·105 Па -50°С.
Устройство ТНУ с дросселем представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Устройство ТНУ с дросселем
1-компрессор; 2-дроссель; 3-испаритель; 4-конденсатор; t1-температура теплоносителя на входе в испаритель; t2-диапазон рабочих температур теплоносителя в испарителе; t3-температура теплоносителя на выходе из испарителя; t4-температура теплоносителя на выходе из конденсатора; t5-диапазон рабочих температур теплоносителя в конденсаторе; t6-температура теплоносителя на входе в конденсатор. Примечание: для t1, t3, t4, t6 – значение температуры представлено для одного частного случая в качестве примера.
Существующие конструкции теплонасосных установок позволяют осуществлять регулирование температуры только одного контура, то есть либо регулирование температуры контура нагрева, либо регулирование температуры контура охлаждения [1]. Это влечет за собой снижение эффективности работы устройства при отклонении температурных режимов от номинальных, заранее предусмотренных значений. В условиях широкого колебания температур окружающей среды в районах континентального и резко-континентального климата, где температура варьируется от -35 до +35 ̊С, использование существующих конструкций ТНУ является экономически не оправданным. Практически все бытовые и промышленные кондиционеры, сплит-системы и холодильные машины, стабильность работы которых зависит от постоянства температуры окружающей среды, выполнены на их основе [2].
Так, например использование бытовой сплит-системы в режиме обогрева будет происходить эффективно только при температуре наружного воздуха в диапазоне от + 10 до +24. При понижении температуры окружающего воздуха ниже этих значений, начинается процесс переохлаждения смазочного масла компрессора, в результате чего масло густеет и становится слишком вязким для штатной работы. Это приводит к повышенным ударным нагрузкам и ускоренному износу деталей компрессора. Также при такой и более низкой температуре и влажности более 70% происходит образование корки льда на поверхности теплообменника, что существенно ухудшает теплопередачу между наружным воздухом и рабочим телом теплонасосной установки [3]. В cвязи с этим возникает необходимость исследовать иные, ранее не существовавшие конструкции ТНУ. Мы предлага
ем конструкцию бездроссельной ТНУ, которая схематично представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Предлагаемая схема БТНУ
1-компрессор №1; 2-компрессор №2; 3-испаритель; 4-конденсатор; 5- электрозадвижка; 6-резервуар с хладагентом; t1-температура теплоносителя на входе в испаритель; t2-диапазон рабочих температур теплоносителя в испарителе; t3-температура теплоносителя на выходе из испарителя; t4-температура теплоносителя на выходе из конденсатора; t5-диапазон рабочих температур теплоносителя в конденсаторе; t6-температура теплоносителя на входе в конденсатор. Примечание: для t1, t3, t4, t6 – значение температуры представлено для одного частного случая в качестве примера.
Бездроссельная ТНУ имеет некоторые сходства с существующими ТНУ. Эти сходства заключаются в наличии компрессора, испарителя, конденсатора, и медных трубок с циркулирующим внутри хладагентом. Но также имеется и ряд отличий. БТНУ не имеет дросселирующей капиллярной трубки. Вместо этого в конструкцию бездроссельной ТНУ внесен второй компрессор [4], электрозадвижка и дополнительный резервуар для временного хранения хладагента. Данная конструкция позволяет разделить контур нагрева и контур охлаждения механическим путем. В результате чего появляется возможность изменять давление в каждом контуре независимо друг от друга, добавляя или убавляя хладагент из дополнительного резервуара. В свою очередь, изменение давления в контуре влечет за собой изменение температуры. Таким образом, обеспечение независимого регулирования температур контура нагрева и контура охлаждения позволит расширить область применения теплонасосных установок. Разработка такой установки ведется на кафедре «Энергообеспечение с/х» в ГАУ Северного Зауралья.
В настоящее время заложены основы расчета бездроссельной ТНУ, но для этого необходимо выполнить следующее:
- провести анализ существующих методов расчета и определения параметров ТНУ;
- выполнить анализ технологических режимов работы существующих конструкций ТНУ;
-провести теоретические исследования режимов работы и принципов регулирования температурных параметров предлагаемой бездроссельной ТНУ с целью выявления оптимальных;
-на базе проведенных теоретических исследований создать опытную лабораторную установку и провести экспериментальные исследования для подтверждения теоретических положений.
При исследовании возможностей бездроссельной ТНУ основной упор мы делаем на расширение температурных диапазонов, в которых она сможет работать. Предположительно такой диапазон будет в пределах от -30 до +75 ̊С, причем как в режиме обогрева, так и в режиме охлаждения.
Технические характеристики ряда ТНУ представлены в таблице 1.
Таблица 1
Технические характеристики ряда ТНУ
|
Марка ТНУ |
Потребляемая мощность при охлаждении, кВт |
Потребляемая мощность при отоплении, кВт |
Холодопроизводительность, кВт |
Теплопроизводительность, кВт |
Диапазон температур при работе на охлаждение, град С |
Диапазон температур при работе на обогрев, град С |
Тип ТНУ |
|
REHAUT GEO 5 |
0,96 |
1,93 |
6,45 |
4,60 |
+18…+15 |
0…+55 |
Жидкость/Жидкость |
|
Dimplex WI 10TU |
- |
1,63 |
- |
9,60 |
- |
+10…+35 |
Жидкость/Жидкость |
|
REHAUT AQUA |
0,96 |
1,91 |
6,45 |
6,00 |
+18…+15 |
+10…+55 |
Жидкость/Жидкость |
|
Dimplex LA 6TU |
- |
1,35 |
- |
5,10 |
- |
+2…+35 |
Воздух/жидкость |
|
REHAUT AERO |
- |
2,44 |
- |
8,60 |
- |
+2…+35 |
Воздух/жидкость |
|
Vitocal 200-S АWS 104 |
1,08 |
0,97 |
3,20 |
4,50 |
+35…+7 |
+7…+35 |
Воздух/жидкость |
|
LG Therma V AH-W096A0 |
2,77 |
2,2 |
8,60 |
9,00 |
+48…+5 |
-20…+30 |
Воздух/жидкость |
|
Бездроссельная ТНУ |
- |
- |
- |
- |
-30…+75 |
-30…+75 |
Любой |
На основании таблицы 1 (Технические характеристики ряда ТНУ) видно, что диапазон рабочих температур, на которые конструктивно рассчитаны существующие теплонасосные установки достаточно сильно ограничен. Это препятствует использованию ТНУ в условиях широкого колебания температур. В свою очередь предлагаемая бездроссельная ТНУ теоретически способна справиться с такой задачей.
Литература:
- Бамбушек Е.М., Бухарин Н.Н., Герасимов Н.А. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин / Е.М. Бамбушек. – Л.: Машиностроение, 1987. – 423 с.
- Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок / А.И. Андрющенко. – М.: «Высшая школа», 1977. – 280 с.
- Быков А.В., Калнинь И.М., Краузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы / А.В. Быков. – М.: «Агропромиздат», 1988. – 288 с.
- Юрицин С. А., Кизуров А.С.Регулирования параметров теплонасосной установки / С.А. Юрицин. – Тюмень: Изд-во «Молодой ученый», 2015. №6-5 (86). С. 17-21.
