ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА НА ФРЕОНЕ

Федосеев В.Н.¹, Зайцева И.А.², Андреева О.Р.³,Острякова Ю.Е.⁴, Целовальникова Н.В.⁵

¹ORCID: 0000-0002-2225-0962, Доктор технических наук, ²ORCID: 0000-0002-1416-3666, Кандидат экономических наук, ³ORCID: 0000-0002-7865-0762, Кандидат экономических наук, ⁴ORCID: 0000-0002-8863-6059, Кандидат экономических наук, ⁵Кандидат технических наук, Ивановский государственный политехнический университет

ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА НА ФРЕОНЕ

Аннотация

В статье представлены результаты научных расчетов по технико-экономическому обоснованию выбора наиболее энергоэффективного вида фреона, используемого в воздушных тепловых насосах, применяемых для отопления помещений. Стабильная работа и высокая эффективность теплового насоса с конкретными параметрами обеспечивается благодаря свойствам термодинамической активности фреонов. В статье приведен графический метод расчета коэффициента эффективности преобразования (СОР) на основе построения термодинамических диаграмм i – lgP (удельная энтальпия-давление) хладагентов. Значение коэффициента эффективности преобразования (СОР) позволяет определить наиболее экономически выгодный вид рабочего тела.

Ключевые слова: воздушный тепловой насос, фреон, коэффициент эффективности преобразования.

Fedoseev V.N.¹, Zaitseva I.A.², Andreeva O.R.³, Ostryakova Yu.E.⁴, Tselovalnikova N.V.⁵

¹ORCID: 0000-0002-1416-3666, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-1416-3666, PhD in Economics, ³ORCID: 0000-0002-7865-0762, PhD in Economics, ⁴ORCID: 0000-0002-8863-6059, PhD in Economics, ⁵PhD in Engineering, Ivanovo State Polytechnical University

ASSESSMENT OF ENERGY EFFICIENCY OF WORK OF AIR HEAT PUMPS FREON 

Аbstract

The article presents the results of scientific calculations on the feasibility study to select the most energy-efficient type of refrigerant used in air heat pumps used for heating. Stable operation and high efficiency heat pump with specific parameters provided by the properties of thermodynamic activity of freons. The article presents the graphical method of calculation of coefficient of performance (COP) based on the construction of thermodynamic charts i – lgP (specific enthalpy-pressure) refrigerants The coefficient of performance (COP) to determine the most cost-effective form of working freon.

Keywords: air heat pump, freon, the coefficient of performance (COP).

Известно, что для действия теплового насоса с замкнутым циклом сжатия и обеспечения его эффективной и экономически выгодной работы требуется рабочая жидкость. К таким жидкостям относятся хладоны, фреоны, хладагенты. Рабочие жидкости обеспечивают стабильную работу и высокую эффективность теплового насоса с конкретными параметрами.

К наиболее известным и распространённым рабочим жидкостям, применяемым в тепловых насосах для обогрева при строительстве небольших производственных и жилых помещений, относятся следующие: R12, R22, R134, R404, R410, R507.

Из них R12, R22 – хлорфторуглероды (CFC – 12) и (HCFC -22); (R-12 – t _кип – 29,8°С); (R-22 - t _кип – 40,8°С). R134, R507 – гидрофторуглероды (HFC) и (HCFC-22); (R-134 – t _кип – 26,3°С); (R-507 - t _кип – 51°С). R404 и R410 – смесь (R-404 – t _кип – 46,3°С); (R-410 - t _кип – 51,4°С).

В настоящем и будущем развитие и поиск экологически чистых рабочих жидкостей для тепловых насосов будет заключаться в модернизации, высокой надежности и усовершенствовании самих воздушных тепловых насосов (ВТН), поскольку эффективность теплонасосной системы, в большей степени, зависит от конструкции и системы распределения энергии ВТН, чем от рабочей жидкости, используемой в контуре сжатия.

Основным показателем оценки эффективности работы теплового насоса является коэффициент трансформации COP (англ. COP – сокр. от coefficient of performance). Также в переводе встречаются термины коэффициент преобразования теплоты, коэффициент эффективности.

Наиболее распространенной формулой расчета коэффициента СОР считается отношение между теплопроизводительностью и потребляемой мощностью. Очевидно, что чем выше значение COP, тем меньше электроэнергии требуется тепловому насосу для выполнения обогрева.

Эффективность работы теплового во многом зависит от условий использования и рабочего тела, как правило, это хладагенты. Определенной температуре источника отбора тепла соответствует температура кипения фреонов, изменение которой существенно влияет на показатели работы теплового насоса, и как следствие на значения COP. Величина коэффициента преобразования теплового насоса зависит от разности температур кипения холодильного агента в испарителе и его конденсации в конденсаторе. Чем меньше эта разность, тем выше коэффициент преобразования.

В этой связи расчет теоретического коэффициента преобразования идеального теплового насоса принято вычислять либо по формуле Карно, либо с помощью построения термодинамических диаграмм i – lgP (удельная энтальпия-давление) хладагентов как наиболее удобной для последующих тепловых расчетов [6].

Графическое изображение цикла работы теплового насоса позволяет рассматривать одновременно различные изменения в состоянии хладагента, происходящие в течение цикла, и влияние этих изменений на цикл без воспроизведения в памяти различных цифровых величин, связанных с циклом [4].

Для примера приведем расчет коэффициента эффективности преобразования (СОР) для некоторых фреонов – R12, R22, R134, R404, R410, R507 с целью получения экономически выгодного значения показателя. Для этого необходимо построить на диаграмме p-h реальный рабочий цикл теплового насоса для каждого рассматриваемого фреона. Построение цикла начинаем со сжатия. Для того что бы нанести на диаграмму точку, соответствующую состоянию рабочего тела в испарителе, необходимо знать такие характеристики, как давление и температуру. В начале температуру на испаритель для наших условий принимаем 0°С, давление для указанных фреонов берем из табл. 1, составленной для диапазона t_фреона= -10° ÷ +55°С.

Построение диаграммы начинаем с первой точки, которую наносим на p-h диаграмму путем продолжения линии постоянного давления, соответствующей испарению при 0°С. Нанеся точку А на диаграмму, мы можем узнать энтальпию фреона в испарителе. Точку Б наносим на диаграмму путем продолжения линии постоянного давления, соответствующей температуре рабочего тела в конденсаторе 55°С.

 

Таблица 1 ‑ Зависимость давления хладагентов Р_фреона от температуры

tфреона, °C	Давление хладагентов, бар Рфреона
	R12	R22	R134	R404	R410	R507
-10	1,19	2,55	1,01	3,32	4,72	3,54
-5	1,64	3,27	1,47	4,18	5,85	4,42
0	2,08	3,98	1,93	5,03	6,98	5,29
5	2,66	4,89	2,54	6,11	8,37	6,4
10	3,23	5,8	3,14	7,18	9,76	7,51
15	3,95	6,95	3,93	8,52	11,56	8,88
20	4,67	8,1	4,72	9,86	13,35	10,25
25	5,39	9,5	5,71	11,5	15	11,94
30	6,45	10,9	6,7	13,14	16,65	13,63
35	7,53	12,6	7,93	15,13	19,78	15,69
40	8,6	14,3	9,16	17,11	22,9	17,74
45	10,25	16,3	10,67	19,51	26,2	20,25
50	11,9	18,3	12,18	21,9	29,5	22,75
55	13,08	20,75	14	24,76	-	25,8

  Действительные условия на выходе из компрессора в точке С рассчитываются с помощью изоэнтропического КПД [4]: Ƞ=(h_Б-h_A) / (h_C-h_A)    (1)

где, h_А, h_Б, h_C – соответствуют энтальпии в точках А, Б и С.

Изменение энтальпии в конденсаторе и соответствующую точку D находим по пересечению изобары конденсации с левой пограничной кривой, пренебрегая при этом падением давления при теплообмене.

Рассчитываем СОР реального цикла теплового насоса [5]:

СОР=(h_C-h_D)/(h_C-h_A)    (2)

Данный расчет, как пример, для фреона R22 будет выглядеть следующим образом.

Строим точку А, при температуре в 0°С давление данного хладогента составит 3,98 бар. Строим точку Б, при температуре в 55°С, с такой температурой давление составляет 20,75 бар. Рассчитываем h_C исходя из формулы изоэнтропического КПД (1):

h_C = ((450,97-414,3) / Ƞ) +414,3=466,69 кДж/кг

Далее наносим точку D (h_D=265,41) которая соответствует пересечению изобары конденсации с левой пограничной кривой.

Рассчитываем СОР теплового насоса, использующего в качестве рабочего тела фреон R22:

СОР= (466,69-265,41) / (466,69-414,3)=3,84

Теплообменный процесс на диаграмме p-h для хладагента R22 согласно существующей методике изображен на рис. 1.

Рис. 1 - Обратный цикл Карно для ТН при подаче температуры на испаритель 0°С

 

Сводим все расчеты, полученные в ходе эксперимента, в табл. 2.

Из таблицы видно, что наиболее эффективно показал себя фреон R22.

В такой же последовательности рассчитаем рабочий цикл хладогента R22, при заданных условиях, при подаче температуры на испаритель t=+5°С (рис.2).

Таблица 2 ‑ Значения энтальпии и СОР фреонов при температуре 0°С на испарителе

Фреон	hA, кДж/кг	hБ, кДж/кг	hC, кДж/кг	hD, кДж/кг	СОР
R22	414,3	450,97	466,69	265,41	3,84
R410	437,5	482,7	502,07	287,5	3,32
R12	356,02	390,02	404,59	247,75	3,22
R134	401,1	448,3	468,53	279,58	2,80
R507	373,4	414,7	432,40	274,3	2,67
R404	376,5	424,9	445,64	287,1	2,29

 

Рис. 2 - Обратный цикл Карно для ТН при подаче температуры на испаритель до +5°С

Расчетные данные так же сведем в табл. 3.

Для достоверности эксперимента изменяем температуру нагрева хладогента через испаритель с +5°С до +10°С. Вид рабочего цикла хладогента R22 на диаграмме p-h представлен на рис.3.

Таблица 3 ‑ Значения энтальпии и СОР фреонов при температуре 5°С на испарителе

Фреон	hA, кДж/кг	hБ, кДж/кг	hC, кДж/кг	hD, кДж/кг	СОР
R22	417,52	450,97	465,31	265,41	4,18
R410	441,4	482,7	500,40	287,5	3,60
R12	359,42	390,02	403,13	247,75	3,55
R134	404,6	448,3	467,03	279,58	3,00
R507	376,9	414,7	430,90	274,3	2,90
R404	380,6	424,9	443,89	287,1	2,47

 

Рис. 3 - Обратный цикл Карно для ТН при подаче температуры на испаритель до +10°С

Расчетные данные сводим в табл. 4.  

Таблица 4 ‑ Значения энтальпии и СОР фреонов при температуре 10°С на испарителе

Фреон	hA, кДж/кг	hБ, кДж/кг	hC, кДж/кг	hD, кДж/кг	СОР
R22	420,74	450,97	463,92	265,41	4,59
R12	362,82	390,02	401,67	247,75	3,96
R410	445,3	482,7	498,72	287,5	3,95
R134	409,34	448,3	464,99	279,58	3,33
R507	380,4	414,7	429,4	274,3	3,16
R404	384,7	424,9	442,12	287,1	2,69

  Сведем полученные данные в табл. 5.  

Таблица 5 ‑ Коэффициент эффективности преобразования (СОР) при различной температуре подачи воздуха на испаритель

Фреон	СОР при 0°С	СОР при 5°С	СОР при 10°С
R22	3,84	4,18	4,59
R410	3,32	3,60	3,95
R12	3,22	3,55	3,96
R134	2,80	3,00	3,33
R507	2,67	2,90	3,16
R404	2,29	2,47	2,69

 

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы.

Во-первых, установлена линейная прямо пропорциональная зависимость эффективного СОР от температуры, подаваемой на испаритель теплового насоса, что позволяет в дальнейшем прогнозировать возможности ВТН.

Во-вторых, выявлено, что динамика роста коэффициента эффективности преобразования с увеличением температуры на испаритель имеет наилучший эффект при температуре равной 10°С. В этом случае коэффициент преобразования (СОР) ВТН максимален.

Таким образом, коэффициент преобразования в тепловом насосе будет более высоким в том случае, когда разность температур источника и приемника тепла будет минимальной. Поэтому важными мероприятиями по увеличению СОР является теплоизолирование помещений, использование энергии альтернативных источников, применение систем рекуперационного типа, использование многотарифных приборов учета электроэнергии. Полученные зависимости расширяют возможности применения тепловых насосов в конкретных условиях использования экономически выгодного фреона.

Список литературы / References

1. Бондаренко Д. В., Шевчук И. И. Высокотемпературный тепловой насос для нужд отопления, использующий в качестве источника теплоты воды озера «Старая Кубань» // Современные проблемы науки и образования. – 2015. № 2-2. // URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21629 (Дата обращения 24.09.2016).
2. Воронов В.А., Емелин В.А. Экономическая целесообразность применения теплового насоса в качестве системы теплоснабжения частного жилья // Информационная среда вуза. ‑ 2015. № 1. С. 480-483.
3. Воронов В.А., Емелин В.А., Федосеев В.Н., Зайцева И.А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса: Сборник научных трудов: Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений. 2015. С. 241-251.
4. Основы холодильной техники. Доссат Рой Дж. пер. с англ. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 96 с.
5. Рей Д., Мак Майкал Д. Тепловые насосы: пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.
6. Термодинамические диаграммы i – lgP для хладагентов. – М.: АВИСАНКО, 2003. – 50 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bondarenko D. V., Shevchuk I. I. Vysokotemperaturnyj teplovoj nasos dlja nuzhd otoplenija, ispol'zujushhij v kachestve istochnika teploty vody ozera «Staraja Kuban'» [The high-temperature thermal pump for needs of heating using as a source of warmth of water of the lake "Old Kuban"]// Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern problems of science and education]. – 2015. #2-2. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21629 [in Russian]
2. Voronov V.A., Yemelin V. A. Jekonomicheskaja celesoobraznost' primenenija teplovogo nasosa v kachestve sistemy teplosnabzhenija chastnogo zhil'ja [Economic feasibility of use of the thermal pump as system of heat supply of private housing]// Informacionnaja sreda vuza [The Information environment of university]. 2015. #1. P. 480-483. [in Russian]
3. Voronov V.A., Yemelin V. A., Fedoseyev V. N., Zaytseva I. A. Klimaticheskie uslovija i faktory, vlijajushhie na proizvoditel'nost' vozdushnogo teplovogo nasosa [The climatic conditions and factors influencing performance of the air thermal pump]: Sbornik nauchnyh trudov: Teorija i praktika tehnicheskih, organizacionno-tehnologicheskih i jekonomicheskih reshenij [Collection of scientific works: Theory and practice of technical, organizational and technological and economic solutions]. 2015. P. 241-251. [in Russian]
4. Osnovy holodil'noj tehniki. Dossat Roj Dzh. [Fundamentals of refrigerating technique] per. s angl. – M.: Legkaja i pishhevaja promyshlennost' [Light and food industry], 1984. – 96 s.
5. Rej D., Mack Maykal D. Teplovye nasosy [Thermal pumps]: per. s angl. [the lane with english] – M.: Jenergoizdat [Energoizdat], 1982. – 224 p. [in Russian]
6. Termodinamicheskie diagrammy i – lgP dlja hladagentov [Thermodynamic charts i – lgP for coolants]. – M.: AVISANKO, 2003. – 50 s.