Лабораторная по ТНУ.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Лабораторная работа


Устройство, принцип работы и исследование
термодинамических параметров теплового насоса


Цель работы

Изучить устройство и принцип работы теплового насоса, исследовать
температурное состояние хладагента в термодинамическом цикле.



Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным
на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового
насоса.

Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на
единицу затраченного исходного топлива потребитель по
лучает по крайней
мере в 1,1
-
2,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.

Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что
тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное
тепло естественного происхождения
(тепло грунта, природных водоемов,
грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки,
очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до 40
0
С, т.е.
такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для
теплоснабжения.

Ест
ественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют
традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании
органического топлива.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к
2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и произ
водственного) в
развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире
работает 15

18 млн. тепловых насосов различной мощности


от нескольких
киловатт до сотен мегаватт. В США более
30 % жилых домов оборудованы
тепловыми насосами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию
74 крупные теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной
установкой является стокгольмская установка мощностью 320 М
Вт
,
работающая на принципе охл
аждения воды, поступающей из Балтийского
моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах,
использует и зимой морскую воду с температурой 4
0
С, охлаждая ее до 2
0
С.
Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла,
по
лучаемого от газовой котельной. Общее количество тепла,
вырабатываемого теплонасосными установками в Швеции, составляет около
50 % от потребного.

Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение
холодного источника и нагрев горячего за сче
т подвода внешней работы.
Кельвин (1852) предложил применить обратный цикл для целей отопления,
используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту,
отобранную от холодного источника (внешней среды), в горячий.

Рабочий цикл теплового
насоса представлен на рис. 1.


Рис. 1. Рабочий цикл теплового насоса


Низкопотенциальная теплота
Q
2

поступает в испаритель теплового
насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в
цикле. Источником низкопотенциальной

теплоты может быть наружный
воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки,
вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах
используются теплоносители с низкой температурой кипения
-

углекислота,
аммиак, фреоны. Хладаген
т поступает в испаритель в жидком состоянии. В
процессе подвода теплоты
Q
2

к жидкому хладагенту происходит его
превращение в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары
хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их
давление и темпер
атура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника
(электродвигателя) подводится работа
L
. Нагретые пары хладагента
поступают в конденсатор, где отдают свое тепло
Q
1

в систему отопления
помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в
ж
идкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент
поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а
температура снижается до температуры низкопотенциального источника.
Цикл замыкается.

Введем следующие обозначения:

q
2

-

удельная теплота, отбираемая от холодного источника,
кДж/кг

(низкопотенциальная теплота);

q
1

-

удельная теплота, передаваемая горячему источнику,
кДж/кг

(теплота, передаваемая в систему отопления помещения);

l

-

удельная работа, подводимая от внешнего источника,
кДж/кг
.

q
2

=
h
1
'


h
4

, кДж/кг


холодопроизводительность


q
1

=
h
2


h
3

, кДж/кг


теплоотвод в конденсаторе
(для определения
h
1
'
,

h
4
,
h
2

,
h
3

,
h
1

см.
раздел «Построение цикла»
)

l

=
(
h
2


h
1
)/
η
комп

,
кДж/кг


работа процесса сжатия компрессора
, где

кпд
компрессора
η
комп
=0,8


Величина


=
q
1

/
l
,

называется коэффициентом преобразования или
отопительным коэффициентом цикла. Этот коэффициент характеризует
эффективность цикла теплового насоса.



Экспериментальная установка




Порядок выполнения работы


1
.

Включить установку в сеть. Подождать 10мин.

2
.

Снять показания температур и показания давлений. Занести в таблицу

1

Таблица 1

Показания приборов через 10 мин

Показания приборов через 20 мин

,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


,
0
С


, бар


,бар


, бар



,бар



3
. Подождать 20

мин
.
Снять показания температур и показания давлений.
Занести в таблицу

1

4
.

Построить в Р
-
h
-
диаграмме
термодинамические
циклы для первого

(через 10

мин)

и второго случая

(через 20 мин)

выбрав в качестве раб
оче
го

веществ
а

Хладон R22
.

Построение цикла


Для понимания цикла паровой компрессионной холодильной машины
необходимо тщательно изучить отдельные проце
ссы, входящие в него, а
также связи, существующие между отдельными процессами, и влияние
изменений в каком
-
либо процессе цикла на все другие процессы данного
цикла. Это изучение в значительной степени можно упростить, используя
диаграммы и схемы с графичес
ким изображением цикла (см. рис.
2
).
Графическое изображение холодильного цикла 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.

Наиболее распространенной в холодильной технике является
диаграмма
i


lg
P
*

(удельная энтальпия
-

давление) как наиболее удобная для
последующих тепловых расчетов.

Состояние хладагента, находящегося в любом
термодинамическом
виде, может быть показано на диаграмме в виде точки, которая определяется
двумя любыми параметрами, соответствующими данному состоянию. При
этом могут быть использованы
простые измеряемые параметры:
температура

(в °С или К);
давление

(в П
а или в производных единицах: 1
кПа=10
3

Па, 1 МПа=10
6

Па=10 бар), а также
удельный объем

v

(в м
3
/кг) или
плотность

ρ
=1/
v
, кг/м
3
.

Кроме простых измеряемых параметров, используют также
сложные
расчетные параметры
. На диаграмме
i


lg
P

таким (одним из основных
)
параметром является удельная
энтальпия

i
, кДж/кг. Это полная энергия
хладагента
I
, отнесенная к единице массы.

В термодинамике удельную энтальпию
i

представляют в виде суммы
внутренней энергии
u
, кДж/кг, и произведения абсолютного давления
P
, Па,
на удел
ьный объем
v
, м
3
/кг.

i
=
u
+
Pv


В этом выражении произведение
Pv

представляет собой
потенциальную энергию давления
P
, которая используется на совершение
работы.

Расчетным параметром является и
энтропия

S
. В расчетах и на
диаграммах используют удельное
значение энтропии s, кДж/(кг·К).

Так же, как и в случае энтальпии, для расчетов важно не значение
энтропии «в точке», а ее изменение в каком
-
то процессе, то есть Δs=Δ
q
/
T
m
,
,
где Δ
q



теплота, отнесенная к единице массы хладагента, а
T
m

, К


средняя
абсолю
тная температура в течение процесса теплообмена между хладагента
и внешней средой [2].

Для работы с диаграммой надо помнить, что она делится на три зоны:



переохлажденной жидкости


слева от кривой насыщенной
жидкости (на диаграммах кривая черного цвета, им
еющая
максимальную толщину), где степень сухости пара
x
=0;



парожидкостной смеси


между кривыми
x
=0 и
x
=1


насыщенный пар;



перегретого пара


справа от линии
x
=1.

Линию, соответствующую насыщенной жидкости (
x
=0) называют
левой, или нижней, пограничной
кривой, а линию, соответствующую
насыщенному пару (
x
=1), называют правой, или верхней, пограничной
кривой.

Линии постоянного давления


изобары


на диаграммах проходят
горизонтально, а линии постоянной энтальпии


изоэнтальпы


вертикально
(серые тонкие л
инии прямоугольной сетки).

Процессы кипения и конденсации хладагента при постоянном давлении
проходят между пограничными кривыми при неизменной (постоянной)
температуре, соответствующей температуре насыщения при постоянном
давлении.


*
Логарифмическая ось
давления принимается в целях уменьшения масштаба диаграммы.




Рисунок 2



R22, CHClF
2

T

critical = 96.00 °C,
p

critical = 49.77400 Bar,
v

critical = 0.00191 m
3
/kg


Рисунок 3
5
.

Определить энтальпии из диаграммы Р
-
h, внести в таблицу 2

Таблица
2

1 серия
значений

2 серия
значений


,

кДж/кг

h
1

,

кДж/кг

h
2
,

кДж/кг

h
3

,

кДж/кг

h
4

,

кДж/кг

,

кДж/кг

h
1
,

кДж/кг

h
2
,

кДж/кг

h
3
,

кДж/кг

h
4

,

кДж/кг












6
.

Рассчитать параметры
q
1
,

q
2 ,

l

,




для двух
серий
.


7
. Вн
ести в таблицу

3
.


Таблица 3

Продолжительность
работы установки

q
1

,

кДж/кг

q
2

,

кДж/кг

l

,

кДж/кг





10 мин






20 мин






8
.

Сравнить результаты

расчетов
через 10 и 20 мин работы установки
.

9.

В
ыводы
.



Приложенные файлы

  • pdf 1266395
    Размер файла: 744 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий