Оценка эффективности работы теплового насоса

Тепловой насос реализует обратный термодинамический цикл Карно, перенося теплоту от менее нагретого тела к более нагретому.

Рассмотрим теоретический парокомпрессионный цикл в тепловой диаграмме p – h (рис. 10.4). Рабочее тело получает высокое давление в результате сжатия в компрессоре. Линия 1 – 2 соответствует изэнтропийному сжатию сухого пара. В точке 2 пар становится перегретым. Поэтому в следующем изобарическом процессе в начале, до точки 2 ´´ происходит отдача тепла с понижением температуры и только после этого начинает конденсироваться пар. В связи с этим конденсатор должен быть рассчитан на прием перегретого пара. Между точками 2 ´´ и 3 происходит конденсация пара при постоянной температуре Т_к. Адиабатическое расширение изображается на р – h диаграмме вертикальной прямой 3 – 4, что является преимуществом такой диаграммы, так как для расчета цикла необходимо знать состояния рабочего тела только на входе в компрессор и на выходе из него.

p

2´

2´´

pкр

h3

h'2

h1

h2

h

Рисунок 10.4 – парокомпрессионный цикл в тепловой диаграмме p – h (р – давление; h – удельная энтальпия)

Эффективность такого цикла меньше, чем у цикла Карно из - за необратимости процесса расширения.

Оценку эффективности работы теплового насоса производят с помощью коэффициента преобразования КОП. Рассчитать коэффициент преобразования можно, также пользуясь тепловой диаграммой.

Пренебрегая потерей давления при теплообмене, изменение энтальпии в конденсаторе и соответствующую точку 3 находят по пересечению изобары конденсации с левой пограничной кривой.

Коэффициент проебразования для реального цикла теплового насоса:

, (10.2)

где (h₂ – h₃) – изменение энтальпии рабочего агента в конденсаторе;

(h₂ – h₁) – увеличение энтальпии рабочей жидкости в испарителе.

Т.е, для реального цикла теплового насоса коэффициент преобразования КОП определяется отношением количества теплоты, отданной в конденсаторе Q_конд источнику высокого потенциала, к затраченной работе компрессора W_компр.

. (10.3)

Изэнтропический КПД компрессора, в соответствии с диаграммой p –h, равен отношению энтальпий (рис. 10.4):

, (10.4)

где (h₂ – h₁) – приращение энтальпии рабочего агента в результате сжатия его в компрессоре;

(h'₂ – h₁) - приращение энтальпии рабочего агента при идеальном изэнтропическом сжатии.

КОП показывает, во сколько раз тепловой насос преумножает тепло. Но КОП не отражает того факта, что передача энергии в форме работы представляет бóльшую ценность, чем передача энергии в форме тепла.

Любая тепловая машина позволяет преобразовать в работу лишь часть тепла, получаемого от топлива и эффективность ее работы оценивается термическим КПД η_т.

Поэтому оценку эффективности работы ТН следует производить по коэффициенту первичной энергии КПЭ, который учитывает не только КОП, но и КПД преобразования первичной энергии в работу привода компрессора. Определяется КПЭ отношением полезного тепла Q_пол, получаемого от теплового насоса, к энергии первичного топлива W_перв, затраченной на привод теплового насоса

. (10.5)

При использовании теплового насоса для отопления или теплоснабжения КПЭ показывает, насколько выгоднее тепловой насос по сравнению с обычным водогрейным или паровым котлом, а также по сравнению с огневым нагревом.

Самыми распространенными являются тепловые насосы с приводом от электродвигателей. Их коэффициент преобразования в условиях насосных и компрессорных станций магистральных трубопроводов может составить КОП = 5 … 5,6. Это хорошо видно из табл. 10.3. С увеличением температуры низкопотенциального источника увеличивается величина КОП и КПЭ.

Электродвигатель менее эффективен по первичной энергии, чем двигатель внутреннего сгорания ДВС. При h_т = 33 %, коэффициент первичной энергии равен:

.

При использовании двигателя внутреннего или внешнего сгорания коэффициент преобразования выше, достигает 6,7…7. С приводом теплового насоса от дизельных двигателей с h_т = 40 % КПЭ равен:

.

А при использовании сбросной теплоты самого ДВС (теплоты воды, нагреваемой в охлаждаемом контуре ДВС, и теплоту выхлопных газов) в регенеративном теплообменнике после конденсатора, КПЭ увеличивается дополнительно. При равенстве коэффициента использования сбросной теплоты ДВС α = 0,55, получаем КПЭ теплового насоса равным:

.

Сравнение ясно показывает, что тепловой двигатель внутреннего или внешнего сгорания теоретически весьма выгоден как привод теплового насоса.

В настоящее время в мировой практике получили распространение парокомпрессионные тепловые насосы и с электроприводом, и от двигателей внутреннего сгорания. Энергетическая эффективность ТНУ с ДВС еще выше в связи с тем, что теплоноситель после нагрева в конденсаторе ТНУ дополнительно подогревается в кожухе и утилизаторе теплоты выхлопных газов двигателя.

А при использовании сбросной теплоты самого ДВС (теплоты воды, нагреваемой в охлаждаемом контуре ДВС, и теплоту выхлопных газов) в регенеративном теплообменнике после конденсатора, КПЭ увеличивается дополнительно. При равенстве коэффициента использования сбросной теплоты ДВС α = 0,55, получаем КПЭ теплового насоса:

.

Сравнение ясно показывает, что тепловой двигатель внутреннего или внешнего сгорания теоретически весьма выгоден как привод теплового насоса.

В настоящее время в мировой практике получили распространение парокомпрессионные тепловые насосы и с электроприводом, и от двигателей внутреннего сгорания. Энергетическая эффективность ТНУ с ДВС еще выше в связи с тем, что теплоноситель после нагрева в конденсаторе ТНУ дополнительно подогревается в кожухе и утилизаторе теплоты выхлопных газов двигателя.

Таблица 10.3 - Показатели эффективности применения теплового насоса в различных условиях

Источник низкопотенциальной теплоты Потребители теплоты, температура в °С Плавательный бассейн, вода 27…30 Отопление напольное, вода 25…35 Отопление нагретым воздухом, 25…30 Отопление с интенсивными теплообменни-ками, вода 40…45 Отопление традиционное, вода 70…100 Горячее водоснабжение, вода 50…80 Воздух –5…+15°С 4,15 1,37 4,0 1,32 3,9 1,30 3,15 1,04 - 2,65 0,87 3,15 1,04 Грунт 5…10°С 4,15 1,32 4,0 1,32 3,9 1,30 3,15 1,04 2,0 0,66 2,65 0,87 3,15 1,04 0,87 Грунтовые воды 8…15°С 4,2 1,55 4,4 1,45 4,0 1,32 3,6 1,19 2,25 0,74 2,9 0,96 3,6 1,19 Реки, озера, моря 4…17°С 4,15 1,37 4,4 1,45 4,0 1,32 3,6 1,19 2,25 0,74 2,9 0,96 3,6 1,19 Сточные воды 10…17°С 5,0 1,65 4,7 1,55 4,2 1,38 3,8 1,25 2,25 0,74 3,15 1,04 3,8 1,25 Оборотная вода 25…40°С - - - 4,5 1,48 3,0- 0,99 3,35 1,10 4,5 1,48 Геотермальные воды 40…65°С - - - - 4,3 1,42 - Высокотемпературные сбросы 40…70°С - - - - 4,3 1,42 -

Верхняя цифра в ячейке – КОП; нижняя цифра – КПЭ.