THE CALCULATION OF THE PARAMETERS OF THE VORTEX HEAT PUMP

Абиров А.А.², Шарифов Д.М.³, Серикбаев Н.С.³, Ниязбекова Р.К.¹, Абдрахманов Р.К.²

¹Доктор технических наук, ²Кандидат технических наук, ³Кандидат физико-математических наук, ТОО «Институт научно-технических и экономических исследований»

Работа выполнена при поддержке гранта МОН РК №3421/ГФ4

РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Аннотация

В статье предложен усовершенствованный способ работы тепловой насосной установки и результаты теоретических расчётов для оценки эффективности ее работы.

Ключевые слова: тепловой насос, вихревая труба, коэффициент преобразования энергии, коэффициент полезного действия, теплопреобразования.

Abirov A. A. ², D. M. Sharifov ³, Serikbayev N.S.³, Niyazbekova R. K. ¹, R. K. Abdrakhmanov ²

¹Doctor of Technical Sciences, ²Candidate of Technical Sciences, ³Candidate of physical and mathematical Sciences, LLD "Institute of scientific-technical and economic research

THE CALCULATION OF THE PARAMETERS OF THE VORTEX HEAT PUMP

Abstract

This article proposes an improved method of operating a heat pump unit and the results of theoretical calculations to evaluate the effectiveness of its work.

Keywords: heat pump, vortex tube, the coefficient of energy conversion, efficiency, teplopreobrazovaniya.

В настоящее время поиск эффективных технологий использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) входит в круг интересов различных специалистов - энергетиков. Один из реальных путей решения рассматриваемых задач – внедрение теплонасосных станций, предназначенных для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования одновременно [1]. Эффективность работы ТН определяется соотношением полученной потребителем тепловой энергии к затраченной электрической и носит название коэффициент преобразования (КОП). Основными параметрами, определяющими величину КОП, являются температуры низкопотенциального источника тепла (НИТ) и системы отопления или горячего водоснабжения (ГВС). Так, при t_нит = +8°С и t_отоп= +65°С КОП = 3, т. е. на один киловатт затраченной электроэнергии потребитель получит 3 кВт тепла, т. е. две единицы тепла получены от НИТ. При повышении температуры НИТ возрастает КОП [2]. О преимуществах использования ТН в системах теплоснабжения можно определить на основе сравнительного анализа, представленного в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительный расчет затрат на отопление и ГВС жилого помещения площадью 300 кв.м. разными системами

В рамках настоящей работы приводятся результаты теоретических расчётов для оценки эффективности работы новой вихревой тепловой насосной установки (ВТНУ) [3].

Принципиальная схема вихревого теплового насоса приведена на рисунок 1, которая состоит из: теплообменника-испарителя 1, компрессора 2, теплообменника-конденсатора 3, дроссельного клапана 4 и вихревого устройства 5 с центробежным насосом 6 .

Рис.1 - Принципиальная схема вихревого теплового насоса

При запуске центробежного насоса жидкость (вода) под напором подается в вихревое устройство, в котором за счет гидродинамических процессов интенсивного движения, она нагревается и поступает в теплообменник-испаритель. Далее в испарителе, рабочее тело теплового насоса (хладон), поглощая теплоту низкопотенциального источника, начинает закипать и, сжимаясь в компрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, поступает в теплообменник-конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая теплоту испарения приемнику тепла (теплоносителю системы отопления). Из конденсатора рабочее тело через дроссельный клапан вновь поступает в испаритель, где его давление снижается и снова начинается процесс кипения.

Основным преимуществом данной схемы получения низкопотенциального тепла является способ преобразования тепловой энергии на основе вихревого эффекта, который выгодно отличается от известных устройств простотой технического выполнения и обслуживания, а также является более дешевым в промышленном производстве.

Использование эффекта закрутки потока жидкости (газа) для преобразования кинетической энергии потока в тепловую был обнаружен в конце 20-х годах прошлого столетия и к настоящему времени создан целый ряд научных направлений по использованию закрученных потоков в различных устройствах и аппаратах.

Теоретический подход для расчета и анализа последовательности тепловых превращений происходящих в вихревом тепловом насосе, базируется на применении научно обоснованных критериев подобия.

По результатам предварительных теоретических расчетов можно оценить ряд важных параметров, определяющих эффективность системы теплопреобразования в ВТНУ. В частности:

• Коэффициент преобразования энергии µ (КПЭ) как:

                  (1)

где ΣQ– полная теплопроизводительность системы, W – затраченная электроэнергия;

• КПД (коэффициент полезного действия):

                  (2)

где   – коэффициент работоспособности тепла;

• Значения коэффициента теплоотдачи α:

                  (3)

где, Nu – число Нуссельта, λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, d – характерный размер (диаметр) трубы.

Таким образом, для теоретического расчета данных параметров ВТНУ необходимо определить число Nu.

Число Нуссельта [4] в данном случае можно определить по формуле:

                  (4)

где с и n – постоянные коэффициенты определяемые экспериментальным методом, Gr и Pr, соответственно число Грасгофа и Прандтля /6/, определены по формулам:

                  (5)

и

                    (6)

здесь, g – ускорение свобоного падения, β – коэффициент теплового расширения, Δt – температурный напор, d – характерный линейный размер, v - кинематическая вязкость, µ - динамическая вязкость, λ – коэффициент теплопроводности,  – коэффициент температуропроводности.

Потенциальными потребителями продукции являются сфера жилого и коммунального обслуживания, аграрный и промышленный сектор, а также организации, технологические процессы которых связанны с подготовкой горячей воды, кондиционирования воздуха и т.п.

Ожидаемый социальный и экономический эффект:

• сокращение затрат на производство тепла, улучшение окружающей среды и экологической ситуации;
• обеспечение комфортных и безопасных условий труда
• снижение значительных потерь в системах теплохладоснабжения потребителей, уменьшение стоимости установки.

Литература

1. Рей. Д., Макмайкл. Д. Тепловые насосы: пер. с англ. М.:Энергоиздат,1982;
2. Г. Хайнрих, Х.Найорк, В. Нестлер. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения, 1985;
3. Абиров А.А., Ибраев Э.Т., Абдрахманов Р.К. и др. // Способ работы тепловой насосной установки. / Инновационный патент РК, № 2063/10 от 20.06.2010 г.
4. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. – М.: Атомиздат, 1979, с.189.

References

1. Rey. D., McMichael. D. Heat pumps: per. s angl. M.: Energoizdat, 1982;
2. G. Heinrich, H. Najork, B. Nestler. Heat pump installation for heating and hot water supply, 1985;
3. Abirov A. A., E. T. Ibrayev, R. K. Abdrakhmanov et al. / A method of operating a heat pump installations. / Innovative patent RK № 2063/10 from 20.06.2010.
4. Wong H. Basic formulas and data on heat transfer for engineers. – M.: Atomizdat, 1979, p. 189.