Исследование энергоэффективности теплового насоса для организации воздухообмена. Конструктивные решения проблем, связанных с энергетическими потерями при обеспечении технологического процесса поддержания микроклимата в производственных условиях.
Аннотация к работе
Особенности организации воздухообмена с применением теплового насоса в производственных помещенияхНаправление исследования, позволяющие выявить и предложить конструктивные решения проблем, связанных с энергетическими потерями при обеспечении технологического процесса поддержания параметров микроклимата в производственных условиях являются актуальным. В статье приведены результаты экспериментального исследования зависимости климатических условий эксплуатации теплового насоса от показателей его эффективной работы. Отслеживание, сбор и фиксация переменных составляющих на протяжении всего хода эксперимента проводилась посредством испытательного стенда, оснащенным климатическим оборудованием и программным обеспечением компании Mitsubishi Electric. По итогам исследования получено, что процесс поглощения тепла из внешней среды, при отрицательных показателях температуры, тепловой насос обеспечивает стабильный обогрев приточного воздушного потока в помещение заданной площади. Тепловой насос, по сути, являясь холодильной машиной способен выполнять функции как нагрева так и охлаждения в теплый период года, что исключает необходимость установки и обслуживания дополнительной системы холодоснабжения.Системы, переносящие тепло в обратном направлении известны как тепловые насосы. Впервые тепловой насос был разработан в 1852 году, британским физиком и инженером Уильямом Томсоном, предложившим практическую тепло-насосную систему, названную “умножителем тепла”. В научной литературе, имеются данные о процессе теплопереноса, а также изучен рабочий цикл теплового насоса, представляющий из себя процесс поглощения тепла жидким хладагентом при низких температурах с последующим выделением тепловой энергии при высоких ее значениях. Тепловой насос, представляет собой парокомпрессионную холодильную установку, которая состоит из следующих основных компонентов: компрессор (3), конденсатор (2), расширительный клапан (4), испаритель (2). Применение тепловых насосов, для сокращения разности температуры между температурой воздушного потока подаваемой из окружающей среды и подаваемого в помещение конкурентоспособнее, по энергозатратам чем прямой нагрев электронагревательным элементом.По результатам проведенного исследования теплового насоса и электрического котла, в условиях различных температурных показателей окружающей среды, стало очевидно преимущество технологии теплового насоса. Процесс поглощения тепла из внешней среды, при отрицательных показателях температуры, тепловой насос обеспечивает стабильный обогрев приточного воздушного потока в помещение заданной площади. Помимо представленных в работе значений, указывающих на более высокий показатель энергоэффективности, тепловой насос обладает рядом отличительных особенностей: Несмотря на более высокие начальные затраты, тепловой насос окупается в среднем не более чем за 3-5 лет.
Введение
Энергоэффективность является наиболее значимым показателем в сфере производства так как позволяет уменьшить фактические затраты на производство единицы продукции и тем самым повысить производительность и срок службы оборудования. Решение проблемы экономии энергоресурсов и энергетически эффективного производства является одной из важнейших целей РФ.
Когда заходит речь об увеличении энергоэффективности, не многие предприятия и организации понимают, что речь идет не только об экономии ресурсов, но также о иного рода мероприятиях, которые в последствии обеспечат получение дополнительной прибыли. Одним из таких мероприятий является усовершенствование системы приточной вентиляции, путем применения процесса теплопереноса в условиях промышленного производства.
Системы, переносящие тепло в обратном направлении известны как тепловые насосы.
Впервые тепловой насос был разработан в 1852 году, британским физиком и инженером Уильямом Томсоном, предложившим практическую тепло-насосную систему, названную “умножителем тепла”.
В научной литературе, имеются данные о процессе теплопереноса, а также изучен рабочий цикл теплового насоса, представляющий из себя процесс поглощения тепла жидким хладагентом при низких температурах с последующим выделением тепловой энергии при высоких ее значениях.
Наряду с развитием и внедрением тепловых насосов во всем мире, применение тепловых насосов остается инновационным решением проблемы теплоснабжения для большинства регионов РФ, связанно это с климатическими особенностями эксплуатации.
Из выше сказанного следует, что, исследование эффективности теплопереноса и технологий, опирающихся на данный процесс, является актуальным и востребованным.
Целью исследования является анализ энергоэффективности климатического оборудования на базе теплового насоса, с целью проведения изучения процесса его работы. Для выполнения поставленной цели авторами поставлены следующие задачи: получить достоверные данные энергоэффективности теплового насоса относительно более традиционных способов теплоснабжения, применяемых в системах вентиляции.
Тепловой насос, представляет собой парокомпрессионную холодильную установку, которая состоит из следующих основных компонентов: компрессор (3), конденсатор (2), расширительный клапан (4), испаритель (2).
1 - тепловая энергия окружающей среды, 2 - испаритель, 3 - компрессор, 4 - расширительный вентиль (ТРВ), 5 - конденсатор, 6 - электрическая энергия, 7 - подача в контур отопления или ГВС, 8 - тепловая энергия, 9 - обратная линия контура отопления или ГВС
Применение тепловых насосов, для сокращения разности температуры между температурой воздушного потока подаваемой из окружающей среды и подаваемого в помещение конкурентоспособнее, по энергозатратам чем прямой нагрев электронагревательным элементом. Связанно это с тем, что для подогрева воздуха в результате перемещения теплоты, требуется работа компрессора. Затрачиваемый удельный 1 КВТ электрической мощности расходуется на привод компрессора, теплопроизводительность при этом, получаем при цикле без потерь (условный) 5 КВТ, в то время как нагрев одного киловатта теплоты требует того же количества электрической мощности. Следовательно, коэффициента преобразования энергии (далее «COP» Coefficient of Performance) теплового насоса по сравнению с электрическим калорифером равен пяти. Однако, чем ниже опускается температура окружающей среды, тем энергозатратнее переносить тепло и мощность обогрева снижается, уменьшается и COP. Так при понижении температуры до -10ОС, или ниже, падает производительность теплового насоса на 30 - 50%.
Решение этой технической задачи нашли конструкторы компании Mitsubishi, реализовав схему парожидкостной инжекции. Назвали они такой тепловой насос Zubadan. Принцип работы заключается в следующем: в режиме обогрева давление жидкого хладагента, выходящего из конденсатора, роль которого выполняет теплообменник внутреннего блока, немного уменьшается с помощью расширительного вентиля. Парожидкостная смесь поступает в ресивер POWERRECEIVER. Внутри ресивера проходит линия всасывания, и осуществляется обмен теплотой с газообразным хладагентом низкого давления. За счет этого температура смеси снова понижается, и жидкость поступает на выход ресивера. Далее некоторое количество жидкого хладагента ответвляется через расширительный вентиль в цепь инжекции - теплообменник HIC.
Часть жидкости испаряется, а температура образующейся смеси понижается. За счет этого охлаждается основной поток жидкого хладагента, проходящий через теплообменник. После дросселирования с помощью расширительного вентиля, смесь жидкого хладагента и образовавшегося в процессе понижения давления пара поступает в испаритель, роль которого выполняет теплообменник наружного блока. За счет низкой температуры испарения тепло передается от наружного воздуха к хладагенту, и жидкая фаза в смеси полностью испаряется. В результате прохода через трубу низкого давления в ресивере POWERRECEIVER перегрев газообразного хладагента увеличивается, и фреон поступает в компрессор.
Кроме того, этот ресивер сглаживает колебания промежуточного давления при флуктуациях внешней тепловой нагрузки, а также гарантирует подачу на расширительный вентиль цепи инжекции только жидкого хладагента, что стабилизирует работу этой цепи.
Часть жидкого хладагента, ответвленная от основного потока в цепь инжекции, превращается в парожидкостную смесь среднего давления. При этом температура смеси понижается, и она подается через специальный штуцер инжекции в компрессор, осуществляя полное промежуточное охлаждение хладагента в процессе сжатия и обеспечивая тем самым расчетную долговечность компрессора. Расширительный вентиль задает величину переохлаждения хладагента в конденсаторе. Вентиль определяет перегрев в испарителе, а также поддерживает температуру перегретого пара на выходе компрессора около 90°С.
Это происходит за счет того, что, попадая через цепи инжекции в замкнутую область между спиралями компрессора, двухфазная смесь перемешивается с газообразным горячим хладагентом, и жидкость из смеси полностью испаряется. Температура газа понижается. Регулируя состав парожидкостной смеси, можно контролировать температуру нагнетания компрессора. Это позволяет не только избежать перегрева компрессора, но и оптимизировать теплопроизводительность конденсатора.
Инжекция жидкого хладагента создает существенную нагрузку на компрессор, снижая его энергетическую эффективность. Для уменьшения этой нагрузки введен теплообменник HIC. Передача теплоты между потоками хладагента с разными значениями давления приводит к тому, что часть жидкости испаряется. Образовавшаяся парожидкостная смесь при инжекции в компрессор создает меньшую дополнительную нагрузку.
Парожидкостная смесь, прошедшая теплообменник HIC, поступает через штуцер инжекции в компрессор. Таким образом, компрессор имеет два входа: штуцер всасывания и штуцер инжекции. Управляя расходом хладагента в цепи инжекции, удается увеличить циркуляцию хладагента через компрессор при низкой температуре наружного воздуха, в результате повышается теплопроизводительность системы. В верхней неподвижной спирали компрессора предусмотрены отверстия для впрыска хладагента на промежуточном этапе сжатия. воздухообмен тепловой насос
1 - PUHZ-HRP71, 2 - PUHZ-RP60VHA4, 3 - PEAD-RPJA60, 4 - термо-камера, 5 - мультиизмеритель, 6 -хладоновый калорифер, 7 - соединительный трубопровод, 8 - воздушный коллектор, 9 - выход в вентиляцию, 10 - управление исследовательской установкой, 11 - панель управления
Исследовательский стенд, для получения достоверных результатов представляет собой систему теплового насоса. Внешний блок (PUHZ-HRP71) помещен в климатическую камеру (рис. 2) в пределах которой осуществляется моделирование температуры окружающей среды в пределах от -20 до 15 градусов ОС. Внутренний блок теплового насоса, включающий систему фильтрации и хладоновый калорифер закреплен на крыше тепловой камеры.
Параметры внутри климатической камеры задаются и поддерживаются внутренним блоком (PEAD-RPJA60) полупромышленной системы кондиционирования. Соединение вспомогательной системы с климатической камерой осуществляется посредством воздушного коллектора (рис. 2) и теплоизолированного трубопровода. Внешний блок вспомогательной системы (PUHZ-RP60VHA4) установлен на специализированном каркасе.
Для сбора данных используется инфракрасный мини-термометр (Fluke 62 Mini), посредством которого происходит снятие показаний встроенных термодатчиков (рис. 3).
Исходными данными является диапазон температур, соответствующий условиям эксплуатации наружного блока температурного насоса в центрально районе России. Этот параметр управляется посредством подачи воздушного потока от канального блока PEADRPJA60 исследовательского стенда (рис. 2). Опыт проводился при температуре эксплуатации теплового насоса в пределах от: -20?C до 15?C. При этом на протяжении всего эксперимента осуществлялся сбор и фиксация изменений параметров энергопотребления.
На основе полученных данных был построен график зависимости роста энергетических затрат от понижения температуры внутри камеры, а также график падения коэффициента COP, при понижении предельных показателей температур.
Рисунок 4. Зависимость падения показателей (COP) при понижении температуры (t) внутри испытательной камеры (составлено автором)
Рисунок 5. Зависимость изменения показателя потребления электроэнергии (w), от температуры (t) внутри испытательной камеры (составлено автором)
Величина энергоэффективности и как следствие экономичности теплового насоса обуславливается выбором источника тепла и переменными характеристиками принимаемого режима работы.
Вывод
По результатам проведенного исследования теплового насоса и электрического котла, в условиях различных температурных показателей окружающей среды, стало очевидно преимущество технологии теплового насоса. Процесс поглощения тепла из внешней среды, при отрицательных показателях температуры, тепловой насос обеспечивает стабильный обогрев приточного воздушного потока в помещение заданной площади. Значение COP не опускается ниже значения в 1,7 при температуре -20?С эксплуатации наружного блока. Это показатель выше, чем при той же температуре для той же задачи применять электрический нагреватель.
Помимо представленных в работе значений, указывающих на более высокий показатель энергоэффективности, тепловой насос обладает рядом отличительных особенностей: Несмотря на более высокие начальные затраты, тепловой насос окупается в среднем не более чем за 3-5 лет.
Тепловой насос по сути являясь холодильной машиной способен выполнять функции как нагрева так и охлаждения, исключая необходимость покупки, установки и обслуживания дополнительной системы кондиционирования воздуха.
Обращая внимание на выше обозначенный пункт следует отметить высокий уровень автоматизации оборудования данного типа, не требующий постоянного контроля и человеческого вмешательства в рабочий процесс.
Также одним из преимуществ теплового насоса является возможность его обеспечения бесперебойным источником энергии посредством генератора. В случае отключения энергоснабжения, та же операция для электрического котла потребует гораздо более крупных финансовых затрат.
Список литературы
1. Агафонова, И.А. Отопление и вентиляция современных складских комплексов. / Стронгин А.С., Шилькрот Е.О. [Электронный ресурс]. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6373 (дата обращения: 18.04.2017). 2. Башмаков И. Муниципальное энергетическое планирование / Башмаков И., Папушкин В. [Электронный ресурс]. URL: http://www.cenef.ru/file/Bpaper103.pdf (дата обращения: 18.04.2017).
3. Гешкович, В.Ф. От централизованного теплоснабжения - к тепловым насосам. [Электронный ресурс]. URL: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_ shablon.php?id=2811 (дата обращения: 14.04.2017).
4. Деменев, А.В. Теория и практика создания энергоэффективной бытовой холодильной техники, работающей при экстремально высокой температуре окружающей среды. / Набережных А.И. [Электронный ресурс]. Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 25. № 2 (25). С. 26.
5. Деменев, А.В. Исследование дросселирующих элементов в бытовых системах кондиционирования воздуха / Данилов А.И. [Электронный ресурс]. Вестник магистратуры. 2012. № 4. С. 34-42. URL: http://docplayer.ru/27147781-Vestnik-4-7magistratury-2012.html (дата обращения: 14.04.2017).
6. Дмитриев А.Н. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия / Ковалев И.Н., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. [Электронный ресурс]. URL: https://gisee.ru/articles/professional_literature/19451 (дата обращения: 20.04.2017).
7. Дубинский М.А. Повышение энергоэффективности в промышленности. [Электронный ресурс]. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=4561 (дата обращения: 12.04.2017).
8. Тоимбаев А.М. Эффективность работы теплового насоса при различных режимах / Ермоленко М.В., Степанова О.А. [Электронный ресурс]. URL: https://moluch.ru/archive/65/10659 (дата обращения: 20.04.2017).
9. Конов А.Ф. Обоснование принципа работы теплового насоса с максимаьным отопительным коэффициентом. [Электронный ресурс]. URL: 10. http://naukarus.com/obosnovanie-printsipa-raboty-teplovogo-nasosa-s-maksimalnymotopitelnym-koeffitsientom (дата обращения: 16.04.2017).
References
11. Agafonova, I.A. Heating and ventilation of modern warehouse complexes / Strongin AS, Shilkroth EO [Electronic resource]. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6373 (reference date: 04/18/2017).
12. Bashmakov I. Municipal Energy Planning / Bashmakov I., Papushkin V. [Electronic resource]. URL: http://www.cenef.ru/file/Bpaper103.pdf (circulation date: April 18, 2017).
13. Granov, V.V. Energy-efficient production buildings. [Electronic resource]. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1885 (reference date: April 13, 2017).
14. Geshkovich, V.F. From centralized heat supply to heat pumps. [Electronic resource]. URL: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2811 (reference date: 14/04/2017).
15. Demenev, A.V. Theory and practice of creating energy-efficient domestic refrigeration equipment operating at extremely high ambient temperatures / Naberezhny A.I. [Electronic resource]. The engineer"s messenger of the Don. 2013. Vol. 25. No. 2 (25). p. 26.
16. Demenev, A.V. Investigation of throttling elements in domestic air-conditioning systems / Danilov A.I. [Electronic resource]. Magistracy newsletter. 2012. № 4. S. 34-
18. Dmitriev A.N. Guide for the assessment of the economic efficiency of investments in energy-saving measures / Kovalev I.N., Tabunshchikov Yu.A., Shilkin N.V. [Electronic resource]. URL: https://gisee.ru/articles/professional_literature/19451 (reference date: 04/20/2017).
19. Dubinsky M.A. Increase of energy efficiency in industry. [Electronic resource]. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=4561 (reference date: 04/12/2017).
20. Toimbaev A.M. Efficiency of the heat pump at various modes / Ermolenko MV, Stepanova OA [Electronic resource]. URL: https://moluch.ru/archive/65/10659 (reference date: April 20, 2017).
21. Konov A.F. Justification of the principle of the heat pump with a maximum heating coefficient. [Electronic resource]. URL: http://naukarus.com/obosnovanie-printsiparaboty-teplovogo-nasosa-s-maksimalnym-otopitelnym-koeffitsientom (application date: 04/16/2017).