RESEARCH OF FUNCTIONAL PARAMETERS OF HEAT PUMP SYSTEMS BASED ON PHYSICAL MODELS

Сучилин В.А.¹, Кочетков А.С.², Губанов Н.Н.³

¹ORCID: 0000-0001-7467-5033, Доктор технических наук, ^2,3Магистр,

 Российский государственный университет туризма и сервиса

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы исследования функциональных параметров теплонасосных установок по их структурным схемам – физическим моделям. Приводится методика формирования термодинамического цикла по исходным данным тепловых насосов применяемых в быту. Показано, что во многом эффективность работы теплонасосных установок, зависит от использования энергоемких хладагентов. Новизна исследования заключается в определении температуры, давления и других параметров термодинамического цикла типового теплого насоса, работающего на мало еще изученном фреоне.

Ключевые слова: теплонасосная установка, термодинамический цикл, функциональные параметры, хладагент.

Suchilin V.A.¹, Kochetkov A.S.² Gubanov N.N.³

¹ORCID: 0000-0001-7467-5033, PhD in Engineering, ^2,3Undergraduate,

Russian State University of Tourism and Service

RESEARCH OF FUNCTIONAL PARAMETERS OF HEAT PUMP SYSTEMS BASED ON PHYSICAL MODELS

Abstract

The study of the functional parameters of heat pump systems by their structural schemes and physical models is presented in the paper. The technique of thermodynamic cycle formation from the initial data of heat pumps applied in everyday life is described. It is shown that the performance of heat pump systems depends largely on the use of energy-dependent refrigerants. The novelty of this study is the determination of the temperature, pressure and other parameters of a thermodynamic cycle of a typical warm pump, running on little studied Freon.

Keywords: heat pump system, thermodynamic cycle, functional parameters, refrigerant.

В настоящее время можно с определенной уверенностью отметить, что наблюдается достаточно бурный рост индивидуального строительства. Появляются все новые и новые содовые кооперативы, пригородные дачные объединения, обживаются за счет городских пенсионеров практически заброшенные деревни. Естественно возрастает потребность электрической и тепловой энергии. В тоже время происходит непрерывное повышение стоимости на все виды энергии, в том числе на отопление и горячего водоснабжения (ГВС) [1].

 В связи с этим постоянно ведутся исследования в области эффективного использования альтернативных источников энергии. Одним из перспективных путей в этой области, на наш взгляд, является использование теплонасосных установок (ТНУ), преобразующих низкопотенциальную энергию, например, земли. В этом случае на входе в тепловой насос (ТН) получает теплоноситель с температурой 5-10 ⁰С и выдает на выходе теплоноситель -  отопительная вода в 45-65 ⁰С. Предложено множество технических решений повышающих стабильность температурных параметров отопительного теплоносителя, обеспечения круглогодичного автономного функционирования системы отопления и ГВС[2,3].

Известно, что во многом эффективность работы систем отопления и ГВС разработанных на базе ТН зависит от использования того или иного хладагента. Ассортимент их достаточно широк и продолжает пополняться все новыми разработками. Видимо настало время более внимательно обратится к изобутану R600a. Он получил популярность как хладагент после принятия в 1997 году Киотского протокола, направленного на ограничение выбросов в атмосферу газов усиливающих парниковый эффект.

Поиски экологически безопасной альтернативы хладагентам R12 и R134a, широко применяемых в холодильной технике, привели к решению использовать в качестве хладагента природный газ изобутан. Хладагент изобутан получил условное сокращенное международное обозначение R600a.

Помимо высоких экологических свойств R600a обладает рядом других преимуществ по сравнению с R12 и R134a:

- изобутан имеет более высокий, чем R12, холодильный коэффициент, что уменьшает энергопотребление;

- количество хладагента R600a заправляемого в холодильный агрегат сокращается по сравнению с R12 примерно на 60 %;

- по теплофизическим и эксплуатационным характеристикам R600a также превосходит R134a;

- холодильные агрегаты на R600а работает при более низком давлении в рабочем контуре хладагента, что характеризуются меньшим уровнем шума, и способствует долговечности установки.

Изобутан очень хорошо растворим в минеральном масле. Совместимость изобутана с минеральным маслом и конструкционными материалами отечественных компрессоров позволяет максимально упростить процесс перехода с R12 на изобутан. Изобутан нейтрален к материалам холодильного агрегата и компрессора, т.е. не вступает с ними в реакцию и не образует тяжелые углеводороды, которые могут забивать систему холодильной техники, что обеспечивает надежную длительную эксплуатацию.

Хладагент R600а не находил широкого применения в качестве хладагента из-за повышенной пожароопасности. Однако доза заправки изобутаном в бытовой холодильной технике исключительно мала, что по заключению специалистов практически не может привести к пожару при строгом соблюдение правил техники безопасности при заправке и ремонте агрегатов.

Выбор наиболее оптимальной структуры ТН требует сравнения многих вариантов схем ТН, фреонов, задаваемых температурных перепадов в теплообменниках и других параметров. Расчет тепловых насосов традиционно проводится с помощью p, h – диаграмм рабочих тел (фреонов). Ниже приводится компьютерная модель исследования функционирования основных узлов теплового насоса.

Моделирование термодинамического регенеративного цикла парокомрессорного ТН на основе методики, приведенной на сайте http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/TTMI.

Рис. 1 – Физическая модель регенеративного парокомпрессионного ТН.

Исходные данные термодинамического расчета:

Температура теплоотдатчика на выходе из испарителя: 

Температура теплоприемника на выходе из конденсатора: 

Температурный напор на холодном конце испарителя: 

Температурный напор на горячем конце конденсатора: 

Температурный напор на горячем конце регенератора: 

Внутренний относительный КПД компрессора: 

Потери давления в конденсаторе: 

Потери давления в испарителе: 

Потери давления в регенераторе со стороны холодного теплоносителя: 

Потери давления в регенераторе со стороны горячего теплоносителя: 

Тип фреона: R600a

Рис. 2 – Алгоритм моделирования термодинамического цикла ТН.

Рис. 3 – Диаграмма термодинамического цикла ТН

Из проведенного исследования важными для нас являются практически все параметры термодинамического цикла, так как последние годы на кафедре «Сервисный инжиниринг» РГУТИС проводятся исследования по разработке структурных решений гибких систем отопления на основе тепловых насосов и технологии их обслуживания. И эти параметры находят применение в при прогнозировании целого ряда бытовых ТНУ. При этом исходим из условий, что системы отопления и ГВС является гибким в пределах определенных групп потребителей. Из данного определения следует, что гибкие системы отопления и ГВС максимально эффективны в пределах определенных структурных решениях. Хотя четкие границы между группами гибких систем отопления и ГВС провести сложно.

Так при однотипном ассортименте теплонасосных установок можно добиваться высокой производительности их обслуживания, выраженной в плановом количестве в смену. Система отопления и ГВС в этом случае обладает невысоким уровнем гибкости. Это может быть типовая одноступенчатая ТНУ из стандартных комплектующих узлов, с достаточно высокой унификацией и технологичностью в обслуживании. В случае применения двух и более ступеней в ТНУ, с помощью которых будет предусмотрено обслуживание отопления и ГВС различных по площади и назначению помещений, сложность проводимых работ по обслуживанию возрастает. В этом случае производительность по обслуживанию, естественно, несколько снизится, но гибкость, которая на современном этапе развития производства приоритетна, повышается, обеспечивает эффективность применения таких систем ТНУ. Тоже можно сказать и каскадных ТНУ, конструктивная сложность которых значительно выше одноступенчатых ТНУ из стандартных комплектующих.

Результаты проведенного исследования позволяют судить, что хладагент изобутан R600а, обладая хорошими исходными характеристиками, отмеченными выше, показывает достаточно высокими параметрами работоспособности, что важно особенно для бытовых ТНУ, так как они не должны отличаться сложностью структуры и обслуживания. Показано, что температура отопительной воды может быть 60 и больше градусов, что соответствует запросам потребителей и требованиям санитарных норм. При этом высоким остается и коэффициент преобразования энергии цикла 3,619, и он расположен значительно выше критической точки. Определены все основные параметры термодинамического цикла данного фреона (температура, давление, энтальпия, энтропия и др.) в зонах движения его по участкам физической модели ТН. Полученные параметры могут стать основой метода подобия при прогнозировании и моделировании аналогичных систем отопления, построенных на базе бытовых тепловых насосов [4,5].

Список литературы / References

1. Филиппов С.П. Малая энергетика в России / С.П. Филиппов // Теплоэнергетика. – 2009. – №8. – С. 38–42.
2. Сучилин В.А. Принцип модульности теплонасосных установок / В.А. Сучилин, А.С. Кочетков, Н.Н. Губанов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 8 (50) – Часть 3. – С. 93-95.
3. Сучилин В. А. Гибкие системы отопления и горячего водоснабжения на основе тепловых насосов / В.А. Сучилин, А.С. Кочетков, С. А. Голиков // ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал – 2016. – № 1(22) – Часть 2. – С. 133-136.
4. Сучилин В.А., Кочетков А.С. Система отопления и горячего водоснабжения помещений. Заявка на изобретение – МПК F25B30/02. Регистрация в ФИПС - №2016104802 от 12.02.2016.
5. Сучилин В.А., Губанов Н.Н., Кочетков А.С. Каскадная теплонасосная установка. Заявка на изобретение – МПК F25B30/02. Регистрация в ФИПС -№2016122646 от 08.06.2016.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Filippov S.P. Malaya ehnergetika v Rossii Filippov S.P. [Small power in Russia] / S.P. Filippov // Teploehnergetika [Heat energy]. – 2009. – №8. – P. 38-42. [in Russian]
2. Suchilin V.A. Printsip modul'nosti teplonasosnyh ustanovok [The principle of modular heat pump systems] / V.A. Suchilin, A.S. Kochetkov, N.N. Gubanov // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. – 2016. – № 8 (50) – Part 3 – P. 93-95. [in Russian]
3. Suchilin V.A. Gibkie sistemy otopleniya i goryachego vodosnabzheniya na osnove teplovyh nasosov [Flexible heating system and hot water through heat pumps] /V.A. Suchilin, A.S. Kochetkov, S.A. Golikov // EVRAZIJSKIJ SOYUZ UCHENYH (ESU) Ezhemesyachnyj nauchnyj zhurnal [SCIENTISTS EURASIAN UNION (SEU) The monthly scientific journal]. – 2016. – № 1 (22) – Part 2 – P. 133-136. [in Russian]
4. Suchilin V.A., Kochetkov A.S. Sistema otopleniya i goryachego vodosnabzheniya pomeshchenij. Zayavka na izobretenie [Heating and hot water facilities. An application for an invention] – IPC F25B30/02. Registration FIPS №2016104802 on 12.02.2016. [in Russian]
5. Suchilin V.A., Gubanov N.N., Kochetkov A.S. Kaskadnaya teplonasosnaya ustanovka. Zayavka na izobretenie [The cascade heat pump system. An application for an invention] – IPC F25B30/02. Registration FIPS №2016122646 on 06.08.2016. [in Russian]