THE INFLUENCE OF THE OPERATING PARAMETERS OF HEAT PUMP INSTALLATION OF THE HEATING SYSTEM TO SELECT THE ECO MODE OF ITS FUNCTIONING

Исанова А.В.¹, Мартыненко Г.Н.², Лукьяненко В.И.³

¹Кандидат технических наук, ²Кандидат технических наук, Воронежский государственный строительный университет, ³Кандилат технических наук, Воронежский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ВЫБОР ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО РЕЖИМА ЕЁ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Аннотация

Проведён анализ влияния расхода воды, проходящей через конденсатор и охладитель перегретых паров в системе теплоснабжения с тепловым насосом (ТН) и определения оптимальной температуры конденсации хладагента ТН рассматриваемой теплонасосоной установки (ТНУ)

Ключевые слова: тепловой насос, система теплоснабжения, хладагент, энергосбережение.

Isanova A. V.¹, Martynenko, G. N.², Lukyanenko V.I.³

¹Candidate of Technical Sciences, ²Candidate of Technical Sciences, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, ³Candidate of Technical Sciences, Voronezh  State Technical University,

THE INFLUENCE OF THE OPERATING PARAMETERS OF HEAT PUMP INSTALLATION OF THE HEATING SYSTEM TO SELECT THE ECO MODE OF ITS FUNCTIONING

Abstract

The analysis of the influence of the flow rate of water passing through the condenser and cooler superheated vapor in the heating system with heat pump (HP) and determine the optimal condensing temperature of the refrigerant HP under consideration of heat pump’s installation (IHP).

Keywords: heat pump, heating system, refrigerant, energy saving.

Сокращение расхода условного топлива в источнике теплоснабжения и общая его экономия в системах теплоснабжения с ТНУ зависят, в частности, от температуры нагрева сетевой воды в конденсаторе ТН. Данный параметр оказывает влияние на капиталовложения в систему теплоснабжения, годовое число часов использования установленной электрической мощности ТНУ, затраты на электроэнергию и другие технико-экономические показатели. Определение оптимальной температуры конденсации рабочего вещества Т_к^опт в конденсаторе ТН, которая влияет и на температуру сетевой воды после конденсатора, позволит снизить затраты системы теплоснабжения.

Принципиальная схема теплонасосной установки (рис .1) представляет собой модель локального теплового пункта, состоящую из следующих основных элементов: теплового насоса; систем, моделирующих потребителя нагретой воды и потребителя горячей воды; системы низкопотенциального источника теплоты.

Как известно, расход условного топлива на производство теплоты в системе зависит от температур теплоносителя после конденсаторов. Поддержание оптимальных значений температур на выходе из конденсаторов обеспечит минимальный расход условного топлива в системе теплоснабжения, в которой используются тепловые насосы.

За критерий оптимизации выбирается расход условного топлива на удовлетворение заданной тепловой нагрузки с помощью теплонасосной установки, по минимуму которого определяются оптимальные параметры работы теплового насоса и степень влияния расходов охлаждающей воды. В основе рассматриваемой задачи лежит соотношение баланса:

   (1)

где  – общий расход условного топлива на выработку теплоты в системе и расход условного топлива на выработку теплоты ТН соответственно. Выражение для целевой функции  будет иметь следующий вид

   (2)

где  – удельный расход условного топлива на получение единицы тепла с помощью теплового насоса;  – теплопроизводительность конденсатора ТН, кВт.

Теплопроизводительность конденсатора определяется по формуле [2]

   (3)

где С_р – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг∙К); Т_К1, Т_К2 – температура охлаждающей воды до и после конденсатора ТН соответственно, К.

     (4)

где Т_КТН – температура конденсации хладагента ТН, К; ΔТ_К – конечная разность температур между хладагентом и охлаждающей водой в конденсаторе, К.

Рис. 1 - Принципиальная схема теплонасосной установки системы теплоснабжения: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – охладитель перегретых паров рабочего тела; 4 – испаритель; 5 – дроссель; 6 – регулирующий вентиль; 7, 13 – расширительная емкость; 8, 12 – циркуляционные насосы; 9, 14 – водоводяные теплообменники; 10 – бак-аккумулятор горячей воды; 11 – теплообменники, моделирующие, систему горячего теплоснабжения. В₁ – В₁₆–запорно-регулирующая арматура; Т_К1, Т_К2 – температура охлаждающей воды до и после прохождения конденсатора ТН соответственно, К; Т_ОП1, Т_ОП2 – температура охлаждающей воды до и после охладителя перегретых паров (ОП) соответственно, К; G_ОП, G_К – расход охлаждающей воды, прошедший через охладитель перегретых паров ОП и конденсатор ТН.

С повышением температуры теплоносителя после конденсатора увеличивается доля тепловой нагрузки конденсата ТН, т.е. возрастает значение . Но при этом одновременно снижается коэффициент трансформации теплоты μ теплового насоса.

Получим следующее выражение [1, 2] расхода условного топлива рассматриваемой системы

   (5)

где Т_КТН – температура конденсации хладагента ТН, К; Т_о – температура испарения рабочего вещества ТН; С_р – удельная изобарная теплоемкость воды, кдж/(кг∙к); G_K – массовый расход воды системы теплоснабжения, направленной в систему горячего водоснабжения (ГВ), кг/с; ΔТ_К – конечная разность температур между хладагентом и охлаждающей водой в конденсаторе ТН; Т_К1 – температуры теплоносителя до конденсатора ТН; η – КПД ТН,  – КПД выработки электроэнергии конденсационных электростанциях (КЭС);  – коэффициент собственных нужд КЭС;  – КПД электрической сети, μ – коэффициент трансформации теплоты теплового насоса.

В описываемой системе конечная разность температур ΔТ_К отлична от нуля – рассмотрим реальный процесс передачи теплоты, тогда Т_КТН и Т_К2 не равны между собой.

Определим производную для уравнения  [5]

    (6)

При условии, что , определяем оптимальную температуру  конденсации рабочего тела теплового насоса

  (7)

Полученное выражение показывает, что оптимальная температура конденсации не зависят от расхода воды  системы теплоснабжения.

Теплопроизводительность конденсатора определяется по формуле (3). Исходя из приведённой зависимости (3), можно сделать вывод, что связь теплопроизводительности конденсатора и расхода нагреваемой воды в нём прямо пропорциональна. С возрастанием количества нагреваемой воды потребуется увеличение теплопроизводительности конденсатора.

Рассмотрим влияние расхода охлаждающей воды охладителя перегретых паров на работу конденсатора. Анализируя приведённую схему (рис. 1) можно отметить, что температура воды до конденсатора ТН, Т_К1 ºС, будет равна температуре воды, прошедшей охладитель перегретых паров ОП Т_ОП2.

Введём допущение: расход  воды ОП равен расходу воды прошедшей через конденсатор , в системе функционирует только контур системы горячего водоснабжения и контур испарителя. Потери теплоты при транспортировке воды по трубопроводам незначительны или практически отсутствуют.

Температуру охлаждающей воды после конденсатора ТН можно определить из уравнения теплового баланса охладителя перегретых паров (ОП), которое имеет следующий вид [2]

   (8)

где  – теплопроизводительность охладителя перегретых паров, кВт; с_р – удельная теплоемкость воды, проходящей через охладитель перегретых паров, кДж/(кг∙К), Т_ОП1, Т_ОП2 – температура теплоносителя до и после ОП, К;  – расход охлаждаемой воды ОП,

тогда из выше приведённого имеем

   (9)

Таким образом имеем    (10)

Рассмотрим совместное влияние изменения двух параметров теплонасосной системы: конечная разность температур между хладагентом и водой системы теплоснабжения на выходе из конденсатора ТН и расход охлаждающей воды ОП (рис. 2). Расчетные значения параметров приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Расчётные значения параметров системы

Рис. 2 - Зависимость оптимально температуры конденсации хладагента ТН от расхода охлаждающей воды ОП и конечной разности температур между хладагентом и охлаждающей водой в конденсаторе ТН

 

Основываясь на полученных данных, можно сделать вывод, что с ростом массового расхода охлаждающей воды ОП и неизменных остальных характеристиках системы происходит снижение оптимальной температуры конденсации, асимптотически приближающейся к минимальному температурному уровню. И, наоборот, с уменьшением расхода охлаждающей воды ОП, а вместе с тем и охлаждающей воды конденсатора ТН (см. введённое допущение) происходит резкое увеличение оптимальной температуры конденсации хладагента при остальных постоянных значениях параметров работы системы. Оптимальная температура конденсации незначительно изменяется при росте конечной разности температур между хладагентом и водой в конденсаторе ТН ΔТ_К. Значит, расход охлаждающей воды охладителя перегретых паров теплонасосной установки системы теплоснабжения в большей степени влияет на создание энергосберегающего режима её работы.

Литература

1. Петраков Г.Н., Стогней В. Г., Мартынов А. В. Распределение тепловой нагрузки между тепловым насосом и пиковой котельной // Вестник Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. Выпуск 7.4. 2004. С. 121- 125.
2. Соколов Е. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения // М. – Энергоиздат. – 1981.- 320 с.
3. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для ВУЗов // М. – Издательство МЭИ. – 1999.- 472 с.
4. Везиришвили О.Ш., Гомелаури В. И. Выбор оптимальной мощности теплонасосных установок //Теплоэнергетика.1982. №4. C. 47-50.
5. А.И. Кострикин. Введение в алгебру, М.: Наука, 1977. -496с.

References

1. Petrakov, N., Stagna Century BC, Martynov A. C. Distribution of the heat load between the heat pump and the maximum boiler room // Herald of Voronezh. state technology. Univ. Ser. Energy. Release 7.4. 2004. p. 121 - 125.
2. Sokolov, E. J., Brodyansky C. M. Energy basis of transformation of heat and cooling processes // M - Energoizdat. - 1981.- 320 p.
3. Sokolov, E. J. the district Heating and heat networks: a Textbook for high schools // M - Publishing house of MPEI. - 1999.- 472 p.
4. Vezirishvili O. W., gomelauri Century. And. the Choice of optimal capacity heat pump units) //thermal engineering.1982. No. 4. p. 47-50.
5. A. I. Kostrikin. Introduction to algebra, M.: Nauka, 1977. – 49 p.