Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности теплонасосных установок на новых рабочих веществах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

005060277

(2

АНТАНЕНКОВА Ирина Сергеевна

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК НА НОВЫХ РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ2013

Москва 2013

005060277

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре Теоретических основ теплотехники им. М.П. Вукаловича

доктор технических наук, старший научный сотрудник Сухих Андрей Анатольевич

Гаряев Андрей Борисович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой Тепломассообменных процессов и установок ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва

Цветков Олег Борисович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Теоретических основ тепло и хладотехники ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Объединенный институт высоких температур РАН»

Защита диссертации состоится 21 июня 2013 года в 11:30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корп. Т, кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан "¿^ " мая 2013 года.

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04 к.т.н.

«

I

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Современный уровень мирового развития теплонасосной техники предлагает потребителю широкий ассортимент установок различной конструкции, мощности и эффективности, конкретный выбор которых зачастую определяется целью и возможностями использования теплового насоса. Важным фактором, оказывающим влияние на все характеристики, а также на решение комплексной задачи их оптимизации, является выбор рабочего вещества (РВ) теплового насоса.

В свете ограничений, наложенных на производство и использование наиболее широко распространенных хладагентов международными соглашениями, ратифицированными РФ (Монреальский протокол в 1987 г. и Киотский протокол в 2004 г.), актуальным становится вопрос поиска новых РВ теплонасосной техники. Мировой тенденцией в этой сфере является переход на природные хладагенты, однако выбор приемлемых для этой цели веществ ограничен их физико-химическими и термодинамическими свойствами или требованиями к безопасности при их использовании.

В настоящей работе поиск новых РВ предполагается вести в области наиболее безопасных для человека природных хладагентов, а также фторорганических веществ, относящихся к классу фторуглеродов, и смесей на их основе, обладающих всеми необходимыми предпосылками для их эффективного использования в теплонасосных установках (ТНУ).

В последнее время публикуется значительное количество работ, посвященных анализу эффективности использования того или иного РВ в ТНУ. Однако не существует универсальной методики, позволяющей выбирать РВ установки на основе оперативного анализа, учитывающего большинство существующих требований. Опыт же экспериментального подтверждения представленных расчетных исследований практически отсутствует.

Таким образом, настоящая диссертационная работа посвящена поиску новых РВ, обеспечивающих наибольшую термодинамическую эффективность цикла ТНУ, и анализу условий их применения, а также разработке и экспериментальному исследованию реальных установок на таких веществах с целью подтверждения расчетных результатов.

Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности теплонасосных установок на новых рабочих веществах, использование которых удовлетворяет большинству существующих требований в этой области техники.

Ход исследования и структуру диссертационной работы определили поставленные задачи:

1. Проанализировать возможности повышения термодинамической эффективности циклов ТНУ; разработать методику сравнения термодинамической эффективности циклов ТНУ на различных рабочих веществах; выбрать рабочее вещество ТНУ.

2. Провести теплотехнические испытания ТНУ на традиционных рабочих веществах и на веществе, определенном результатами применения разработанной методики сравнения.

3. Выполнить комплексный анализ эффективности ТНУ на основе полученных характеристик экспериментальных установок на исследуемых рабочих веществах.

Научная новизна работы.

1. Определены и теоретически обоснованы такие необходимые условия высокой термодинамической эффективности сверхкритического цикла ТНУ на диоксиде углерода, как: включение в схему ТНУ низкотемпературных потребителей теплоты; комбинированная выработка теплоты и холода.

2. Разработана универсальная методика сравнения термодинамической эффективности обратных парокомпрессионных циклов установок (и теплонасосных, и холодильных) на различных РВ (чистых и смесевых хладагентах), базирующаяся на условии равенства температурных напоров в процессах подвода и отвода теплоты (между теплоносителем и рабочим телом в испарителе и конденсаторе) для всего ряда сравниваемых веществ при зафиксированных температурах теплоприемника и теплоотдатчика.

3. На основе результатов расчета и сопоставления термодинамической эффективности ряда индивидуальных и смесевых РВ ТНУ рекомендованы к внедрению композиции на основе фторуглеродов (ЮНО, ЯС318) с добавками гексафторида серы (5-10 % 11846) с использованием в цикле ТНУ регенерации.

4. Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд с оригинальной конструкцией теплообменных аппаратов для исследования энергетических и теплотехнических характеристик ТНУ на различных РВ.

5. Получены результаты испытаний экспериментального стенда ТНУ на традиционном РВ В22.

6. На основании проведенных испытаний экспериментального стенда ТНУ на 1122 разработана конструкция регенеративного теплообменника для модернизации экспериментального стенда с целью проведения испытаний на альтернативном РВ - смесевой композиции 11СЗ18/11846 (95/5).

7. Получены результаты теплотехнических испытаний экспериментального стенда ТНУ на смесевом РВ 110318/11846 (94,08/5,92).

8. Получены результаты теплотехнических испытаний ТНУ мощностью 20 кВт на диоксиде углерода, подключенной к системе обратной циркуляционной воды (после конденсатора) теплоэлектроцентрали НИУ «МЭИ».

Практическая значимость исследования. Предложенный в работе методологический подход к выбору РВ направлен, прежде всего, на упрощение процедуры сравнения термодинамической эффективности применения того или иного хладагента в установке. Простота подхода определена минимальным набором исходных данных для оценки, что, однако, не приводит к ухудшению качества результата применения данной методики. Методика разработана для

обратных парокомпрессионных циклов, поэтому является универсальной как для теплонасосных, так и для холодильных установок.

Разработана оригинальная схема ТНУ, на которую получен патент на полезную модель, позволяющая повысить термодинамическую эффективность установки за счет передачи части теплоты от потока хладагента после конденсатора через рекуперативный теплообменник низкотемпературному внешнему потоку теплоносителя, поступающему в испаритель.

Кроме этого, разработана оригинальная конструкция испарителя и конденсатора ТНУ, являющихся элементами экспериментального стенда, на которую также получен патент на полезную модель.

; Результаты испытаний экспериментального стенда ТНУ на смесевом РВ 11СЗ18/11846 (94,08/5,92) получены впервые и представляют собой ту необходимую экспериментальную базу, которая позволяет не только в целом оценить энергетическую эффективность ТНУ при использовании данного РВ, но и в первом приближении выявить низкоэффективные элементы установки и модернизировать их.

Результаты испытаний ТНУ на диоксиде углерода позволяют оценить достоверность теоретических выводов, полученных в результате проведенного расчетного анализа.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании нового поколения ТНУ, работающих в составе систем тепло- и холодоснабжения жилых и административных зданий, а также технологических объектов различного назначения.

На защиту выносятся:

1. Универсальная методика сравнения термодинамической эффективности обратных парокомпрессионных циклов установок на различных РВ, базирующаяся на условии равенства температурных напоров между теплоносителем и РВ в испарителе и конденсаторе с фиксированными параметрами теплоносителей в теплообменниках.

2. Результаты анализа термодинамической эффективности различных схем ТНУ на новых рабочих веществах.

3. Использование в качестве РВ ТНУ зеотропных смесей на основе фторуглеродов (ЮНО, ЯС318) с добавками гексафторида серы (5-10 % 11846) (с организацией внутренней регенерации теплоты в цикле).

4. Конструкция основных теплообменник аппаратов ТНУ с рабочими поверхностями, изготовленными по технологии деформирующего резания.

5. Результаты теплотехнических испытаний экспериментального стенда ТНУ на рабочих веществах: Ы22 и зеотропной смеси ЯСЗ18/11846 (94,08/5,92).

6. Результаты теплотехнических испытаний ТНУ на диоксиде углерода для подогрева добавочной воды в составе ТЭЦ МЭИ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты», Барнаул, 2008;

- Шестой Всероссийской научно-технической студенческой конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии», посвященной 90-летию со дня рождения А.Г. Усманова, Казань 2010; .

- Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» ИТАЭ-80, Москва, 2012;

- VII ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012», Санкт-Петербург, 2012.

Связь с планами основных научно-исследовательских работ.

Результаты, полученные в ходе настоящей диссертации, являются частью исследования, проводимого в рамках работы над инициативным научным проектом 13-08-01221 «Расчетно-экспериментальное исследование перспективных циклов теплонасосных установок на неазеотропных смесевых рабочих веществах», выполняемым при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в т.ч. 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получено 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 164 страницы, из них 23 таблицы на 14 страницах, приложения на 19 страницах и 45 страниц текста с иллюстрациями. Список литературы включает 81 наименование на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснован выбор темы исследования, отражена ее актуальность, оценена теоретическая и практическая значимость работы.

В первой главе диссертационной работы «Исследование проблем и вопросов, связанных с выбором рабочего вещества теплонасосной установки» представлены результаты обзора существующих РВ ТНУ, а также классификация требований, предъявляемых к ним.

Теплонасосная техника с точки зрения используемых в ней хладагентов, характеризуется широким ассортиментом РВ, состоящим из чистых веществ и смесей, однако их непосредственное применение, как и в холодильной технике, ограничивается большим количеством требований различного уровня.

Анализ литературы позволяет сформулировать основные требования, предъявляемые к хладагентам:

1) законодательные ограничения;

2) термодинамическая эффективность;

3) технико-экономические требования;

4) требования к безопасности.

Хладагент, соответствующий всем перечисленным требованиям, пока не найден, однако вполне возможно подобрать РВ ТНУ, удовлетворяющее наиболее важным из них.

Мировой тенденции в вопросах выбора рабочего вещества ТНУ является переход на природные хладагенты. В этой связи наиболее обоснованным с точки зрения безопасности использования для человека будет исследование термодинамической эффективности диоксида углерода в качестве РВ ТНУ.

Другим направлением поиска перспективных РВ для ТНУ является область смесевых композиций на основе фторуглеродов. Для использования в тепловых насосах предлагаются, прежде всего, октафторпропан (11218), октафторциклобутан (Т1С318) и декафторбутан (ЮНО) в композициях с гексафторидом серы (11846). Исследования последних лет показали, что эти вещества обладают благоприятными для такой цели физическими, химическими и эксплуатационными свойствами - инертны к материалам, не разрушают озоновый слой Земли, не горючи вплоть до температур 700 °С, не взрывоопасны, не токсичны.

Вторая глава «Исследование термодинамической эффективности цикла теплонасосной установки и выбор рабочего вещества» посвящена исследованию существующих методов повышения термодинамической эффективности цикла ТНУ, а также разработке и применению методологического аппарата для ее оценки.

Эффективность ТНУ оценивается, прежде всего, отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение количества теплоты q¡, сообщенной нагреваемому объекту, к работе 1Ч, подведенной в цикле:

М = (1)

ц

Основным параметром, служащим оценкой термодинамического совершенства теплоэнергетического устройства, является эксергетический КПД. Для теплового насоса он определяется соотношением:

пГ^Я^, (2)

где ()т - тепловая мощность установки, кВт; т,=1-Тх/Т, - эксергетическая температурная функция; т„ - средний температурный уровень теплоты, переданной теплоприемнику (среднеинтегральная температура конденсации рабочего вещества в ТНУ), К; Гк - температура окружающей среды, К; N -мощность, потребляемая установкой, кВт.

Предлагаемая в работе методика позволяет оценить эффективность применения большого количества чистых веществ и смесевых композиций в качестве РВ ТНУ, реализующих различные конфигурации термодинамического цикла. В ее основе лежит условие равенства температурных напоров между теплоносителем и РВ в испарителе и конденсаторе с фиксированными параметрами теплоносителей в теплообменниках.

Принципиальная схема ТНУ, как показано на рис. 1, может быть идентичной для различных РВ, а конфигурации рассматриваемых

7

парокомпрессионных циклов условно можно разделить на три категории: а) циклы на чистых и азеотропных смесевых РВ; б) циклы на зеотропных смесевых РВ с отрицательным наклоном кривой конденсации в Т,з-диаграмме; в) циклы на зеотропных смесевых РВ с положительным наклоном кривой конденсации в Т,8-диаграмме.

б) * е)

Рис. 1. Принципиальная схема ТНУ и конфигурация рассматриваемых циклов К - компрессор; ЭД - электродвигатель; К-р - конденсатор; РТ - регенеративный теплообменник; Др - дроссель; И - испаритель; 1'гти и ?гтн - температуры «горячего» теплоносителя на входе и выходе из конденсатора установки; и - температуры «холодного» теплоносителя на входе и выходе из испарителя установки; рк - давление конденсации, ри - давление испарения

Алгоритм методики в сокращенной форме можно представить в виде следующих пунктов:

1. Задаются исходные данные для расчета, определяющие: температуры выбранных теплоносителей, предполагаемый КПД компрессора, а также минимальные температурные напоры в теплообменник аппаратах установки.

2. С учетом перечисленных выше требований определяется базовое РВ и ряд веществ, предлагаемых в качестве альтернативы.

3. Рассчитываются температурные напоры в теплообменных аппаратах, а также характеристики энергетической эффективности установки, работающей на базовом РВ (в случае теплового насоса - отопительный коэффициент).

4. Характеристики энергетической эффективности установки, работающей на базовом РВ, сравниваются с аналогичными показателями установки, работающей на альтернативном РВ, при соблюдении условия равенства полученных температурных напоров в теплообменниках.

1 8

Образцовым циклом для определения базовых температурных напоров в теплообменниках ТНУ при апробации методики принят цикл на РВ 1122.

Для расчета цикла ТНУ для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения на РВ Ы22 и альтернативных ему веществах были приняты следующие исходные данные:

- температура горячего теплоносителя на входе/выходе в/из конденсатор(а) установки: С = 45 °СП"ти = 55 °С;

- температура холодного теплоносителя на входе/выходе в/из испаритель(я) установки: С =15 °С/С, =8 °С;

- внутренний относительный КПД компрессора: »/£ = 0,65;

- минимальный температурный напор в конденсаторе и испарителе установки:

Расчет цикла ТНУ на веществе Я22 с учетом заданных исходных данных определил базовые температурные напоры в конденсаторе Д/, =10,2 "С и испарителе установки Д/„ = 6,5 °С. Действительный отопительный коэффициент цикла составил при этом ць = 3,63.

В силу конфигурации циклов с отрицательным наклоном кривой конденсации в Т,8-диаграмме на чистых фторуглеродах и их смесях температура на выходе из компрессора невелика. Это обстоятельство позволяет существенно увеличивать долю регенерации в циклах и тем самым повышать отопительный коэффициент.

На рис. 2 представлена зависимость отопительного коэффициента цикла ТНУ с регенерацией от температуры на входе в компрессор °С, для чистых веществ Ш34а, ЯС318 и смесей КС318/Я846 (95/5), 110318/11846 (90/10), 113110/11846 (95/5), 113110/11846 (90/10), Ш52а/Ш 34а (20/80).

Рис. 2. Зависимость отопительного коэффициента цикла ТНУ с регенерацией от температуры РВ на входе в компрессор 1], °С

9

Наибольшее значение отопительного коэффициента имеет цикл ТНУ на смесевом РВ ЯСЗ18/11846 (90/10) цл = 3,87 с температурой на входе в компрессор г, =45 "С.

Третья глава диссертации «Теплотехнические испытания» представляет результаты испытаний ТНУ на традиционном РВ И22 и новых РВ - смесевой композиции ЯСЗ18/11846 и диоксиде углерода.

Для определения энергетической эффективности применения новых РВ в ТНУ и сравнения ее с эффективностью таких установок на традиционных РВ используется экспериментальный стенд ТНУ модульного типа мощностью 8 кВт, который допускает оперативную замену хладагента. Схема экспериментального стенда ТНУ на РВ Ы22 представлена на рис. 3.

Внешними системами для исследуемой ТНУ являются: система горячего водоснабжения, состоящая из конденсатора, бака ГВС, нагревающего водопроводную воду для водоснабжения, циркуляционного насоса, а также разомкнутая система отбора низкопотенциальной теплоты от водопроводной воды (с последующим сливом в канализацию).

Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда ТНУ на РВ Я22 К - компрессор; ЭД - электродвигатель; ПЧ - преобразователь частоты; ТРВ -терморегулирующий вентиль; ВЭМ - вентиль электромагнитный; ОЖ - отделитель жидкости; ФО - фильтр-осушитель; Н - насос

Схема экспериментального стенда ТНУ содержит также систему измерения параметров установки:

- давления РВ: образцовыми манометрами МО 11202 с верхним пределом измерения давления 10 и 25 кгс/см2 в испарителе и конденсаторе соответственно (класс точности 0,4);

- температуры РВ и теплоносителя (воды): многоканальным прецизионным измерителем температуры (МКПИТ) «Термоизмеритель ТМ-12.2»;

- расхода воды: счетчиками СКВГ90-3/15 в испарителе и УаНес серии УЬР-Ы-итуегза1 в конденсаторе.

* 10

Конструкции теплообменных аппаратов установки - конденсатора и испарителя - одинаковы и отличаются только длиной (рис. 4).

.4

Вход фреона

Рис. 4. Конструкция конденсатора/испарителя экспериментального стенда ТНУ 1 - патрубок подвода воды внешнего контура; 2 - патрубок отвода воды внешнего контура; 3- корпус теплообменника (наружная труба); 4 - патрубок подвода фреона; 5 - патрубок отвода фреона; б - коллектор; 7 - пучки внутренних труб меньшего диаметра; 8 -центральная (перепускная) труба большего диаметра

Теплообменный аппарат содержит девять внутренних труб, причем одна из них, расположенная в центре, выполнена большим диаметром, чем окружающие ее трубы. На концах теплообменника расположены распределительные коллекторы, снабженные перегородками, причем на одном конце модуля перегородка установлена выше трубы, расположенной в центре, а на другом конце - ниже этой трубы. Все внутренние трубы выполнены по технологии деформирующего резания.

В результате обработки опытных данных были получены значения тепловой мощности конденсатора и испарителя для всех режимов проведенных испытаний:

&=<3:ч>-('«-*5), (3)

ви=с:-Срв.(17-0. (4)

Из уравнений теплового баланса для конденсатора и испарителя с учетом формул (3) и (4) были получены значения расхода фреона 1122 в контуре ТНУ:

О +о*

к _ <&к потерь

(h-h) Qu Qпотерь

(5)

(6)

"" Qh-h) '

а также расход фреона, рассчитанный, исходя из измеренной мощности компрессора и совершаемой им работы:

<пР= N' ■ О)

™ (А,-*,) W

Кроме этого, оценены значения КПД компрессора:

А,-*,'

где h,,h2l,h2 - энтальпии в характерных точках цикла (рис. 1). Теплофизические свойства R22 (здесь и далее для всех исследуемых РВ) определены с использованием программы REFPROP 8.0.

1о I =-

(8)

В табл. 1 представлены перечисленные выше характеристики, а также значения отопительных коэффициентов ТНУ для одного из протоколов испытаний, рассчитанные двумя способами: из отношения тепловой мощности конденсатора <2К (2) к измеренной мощности N1, потребляемой компрессором, а также из отношения удельной теплопроизводительности конденсатора к действительной работе /„ = совершаемой компрессором.

Отопительные коэффициенты установки были получены для различных расходов воды через теплообменные аппараты установки (в табл. 1 представлены результаты испытаний при максимальном расходе воды через аппараты ТНУ).

№ опыта и, "С Ъ, "С е.. кВт кВт Р.22> кг/с тю.г-> кг/с шюр тЮ1 кг/с

1 41,0 3,9 5,37 7,29 4,61 4,43 0,72 0,034 0,036 0,035

2 45,1 4,0 5,19 7,19 4,33 4,19 0,73 0,034 0,036 0,035

3 50,0 3,8 4,87 6,97 3,96 4,03 0,78 0,033 0,036 0.037

4 55,1 3,7 4,54 6,76 3,62 3,81 0,81 0,032 0,036 0,038

5 60,1 4,1 4,21 6,43 3,27 3,53 0,81 0,031 0,035 0,038

Отклонение значений от суммы (£„ +N1) для всех режимов испытаний ТНУ на РВ1122 не превышает 6,4 %.

Отклонения значений расхода РВ 1122, рассчитанные по уравнениям (5) и (6), для большинства режимов не превышают 10 % по отношению к величине расхода в конденсаторе, что свидетельствует о согласованности тепловых балансов и подтверждает достоверность прямых измерений значений давлений, температур и расходов. Повышенные значения отклонений расходов наблюдаются для режимов со сниженными расходами воды внешних контуров и высокой температурой конденсации фреона (56-61 °С).

Относительная погрешность определения отопительного коэффициента ТНУ на РВ Я22, рассчитанная для характерного режима, не превышает 4,9 %.

Для осуществления цикла ТНУ с внутренней регенерацией теплоты возникла необходимость дополнения экспериментального стенда (рис. 3) рекуперативным теплообменником (РТ), позволяющим за счет переохлаждения жидкого хладагента на выходе из конденсатора перегревать пар хладагента, поступающий в компрессор установки после испарителя.

Конструкция РТ разрабатывалась на основе экспериментальных данных, полученных в результате испытаний ТНУ на РВ Ш2.

Рекуператор представляет собой теплообменник типа «труба в трубе», в котором хладагент в жидком состоянии после конденсатора (греющая среда) по внутренней трубе, обработанной снаружи по технологии деформирующего резания, движется противотоком хладагенту в состоянии перегретого пара после испарителя (нагреваемая среда) в межтрубном пространстве.

Схема экспериментального стенда ТНУ, дополненного рекуператором для осуществления внутренней регенерации в цикле, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментального стенда ТНУ с рекуператором

К - компрессор; ЭД - электродвигатель; ПЧ - преобразователь частоты; ТРВ -терморегулирующий вентиль; ВЭМ - вентиль электромагнитный; ОЖ - отделитель жидкости; ФО - фильтр-осушитель; Н - насос

Система измерения давления установки (рис. 5) дополнена образцовым манометром МО 11202 с верхним пределом измерения давления 10 кгс/см2 (класс точности 0,4) для измерения давления на выходе из рекуператора „ по линии испарителя. Кроме этого, в связи с тем, что потери давления в конденсаторе при проведении испытаний установки на РВ1122 малы, манометр, измерявший давление фреона на выходе из конденсатора, перенесен по контуру для измерения давления на выходе из рекуператора р%* к.

Система измерения температуры установки дополнена двумя термометрами сопротивления, подключенными к МКПИТ «Термоизмеритель ТМ-12.2».

Для проведения испытаний установка заправлена смесью из 4939,4 г ЫСЗ18 и 310,6 г 11846, что представляет собой соотношение 94,08 % и 5,92 %.

В табл. 2 представлены характеристики установки, рассчитанные по формулам (3)-(8), на основании обработки полученных данных по результатам испытаний экспериментального стенда ТНУ на исследуемой зеотропной смеси.

№ опыта и, °С Ь, °С е.. кВт а. кВт м=0Ж 7о, кг/с <> кг/с «.«р. ач , кг/с

1 40,0 2,8 1,54 2,15 4,24 4,05 0,71 0,019 0,025 0,022

2 45,0 3,1 1,39 2,03 3,79 3,87 0,76 0,019 0,023 0,024

3 49,8 3,4 1,32 2,01 3,56 3,61 0,77 0,018 0,024 0,024

4 55,0 3,8 1,19 1,90 3,14 3,38 0,80 0,016 0,024 0,026

5 60,0 4,1 1,07 1,83 2,79 3,01 0,80 0,015 0,025 0,027

Отклонение значений от суммы +//,) для всех режимов испытаний ТНУ на смеси ЫСЗ18/11846 не превышает 6,4 %.

Значения расхода т'™пр хорошо согласуются со значениями т"ш -отклонение не превышает 8,2 % по отношению к величине расхода в конденсаторе. Отклонение значений тиш от т"^ выше (от 13,8 % для режима № 1 и до 40,8 % для режима № 5), однако следует учесть, что значения расходов в абсолютном выражении малы, что влечет за собой значительное влияние отклонения в относительном выражении, однако, в целом, полученные значения расходов неплохо согласуются между собой.

Относительная погрешность определения отопительного коэффициента ТНУ на смесевом рабочем веществе 110318/11846 (94,08/5,92), рассчитанная для характерного режима, не превышает 8,4 %.

Анализ полученных результатов показал, что процесс сжатия РВ компрессором происходит полностью в области перегретого пара, что свидетельствует об оправданности использования рекуператора для преодоления «эффекта» положительного наклона линии конденсации в Т,э-диаграмме. Однако потери давления в рекуператоре значительны: по «газовой» линии после испарителя достигают 27,3 %, по «жидкостной» линии после конденсатора - 20,3 %.

Следует также отметить, что РВ на выходе из испарителя для всех режимов находится в состоянии влажного пара (х1=0,64-ь0,69), что нежелательно для оптимальной работы РТ, а также ухудшает эффективность установки в целом, уменьшая температуру перегретого пара на выходе из рекуператора. Эффективность работы испарителя и установки в целом может быть увеличена за счет использования низкопотенциального источника теплоты с более высокой температурой подаваемого теплоносителя.

Расчетный анализ термодинамической эффективности ТНУ на диоксиде углерода показал, что существенное увеличение отопительного коэффициента таких установок возможно за счет включения в схему низкотемпературных потребителей теплоты. В этой связи перспективным представляется использование таких ТНУ для обеспечения собственных нужд электростанций.

Для исследования энергетической эффективности такого направления проводились теплотехнические испытания ТНУ на диоксиде углерода, подключенной • к теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) НИУ «МЭИ». Анализ полученных результатов испытаний показал, что ТНУ на диоксиде углерода, подключенная к трубопроводу обратной циркуляционной воды ТЭЦ НИУ «МЭИ» (охлаждая ее, в среднем, на 12 °С) и предназначенная для подогрева добавочной воды этой ТЭЦ (нагревая ее, в среднем, на 52 °С), имеет высокий отопительный коэффициент (^ 4,33).

В четвертой главе «Анализ результатов испытаний теплонасосных установок» представлены результаты анализа термодинамической эффективности и расчета теплотехнических характеристик экспериментальных ТНУ на веществах: К22,11СЗ18/11846 (94,08/5,92) и диоксиде углерода.

4

I

Результаты испытаний ТНУ на РВ Е22 показали, что при использовании в качестве низкопотенциального источника водопроводной воды, поступающей в испаритель установки с температурой 3,0+4,4 °С, вода, подаваемая в контур горячего водоснабжения, нагревается до различной температуры в диапазоне от 40 до 60 °С с достижением значений отопительного коэффициента ц от 3,05 до 4,5 (значение уменьшается с ростом температуры на выходе из конденсатора).

На рис. 6 представлены зависимости полученных значений /л (1) от температуры /¿'при максимальном и сниженном расходе воды через испаритель установки и практически неизменном расходе воды через конденсатор. Аналогичные зависимости получены для режимов при максимальном и сниженном расходе воды через конденсатор и практически неизменном расходе воды через испаритель.

Значения отопительного коэффициента [I ТНУ не могут служить объективной оценкой эффективности установки, так как на разных температурных уровнях энергетическая ценность той же

теплопроизводительности различна, поэтому на рис. 6 представлены также зависимости рассчитанных значений эксергетического КПД (2) для каждого из представленных режимов.

4.5

тшм

3.5

-

/у -

X

0.44

0.42

0.4

0.38 »«в

0.36

0.34

40 45 50 55 60

Температура воды на выходе из конденсатора Ц, °С Рис. 6. Отопительный коэффициент и эксергетический КПД экспериментальной ТНУ на РВ Я22 при изменении расхода воды через испаритель Матх и опмх - отопительный коэффициент и эксергетический КПД ТНУ при максимальном расходе воды через испаритель; Матт_иа, и % от1п иа, ~ отопительный коэффициент и эксергетический КПД при сниженном расходе воды через испаритель

Значения ц с увеличением ^ (а, следовательно, и непрерывно убывают, в то время как значения 77, ТНУ возрастают (имеют максимум в некоторых режимах), что определяет зону наиболее эффективных режимов работы установки. При снижении расхода воды через аппараты установки эта зона смещается в сторону увеличения температуры воды на выходе из конденсатора.

В табл. 3 представлены результаты сравнения основных технических характеристик, полученных экспериментально для ТНУ на РВ 1122, с аналогичными характеристиками, предоставленными производителем

15

компрессора - фирмой Мапеигор для марки МТ28Ш4АУЕ, разработанной специально для работы на веществе 1122.

Таблица 3 - Результаты сравнения основных технических характеристик ТНУ

№ on. te, °С t7, °с Мэ f Мпосп Л.,«. кВт N -N К 7 К ТКЗСП mRTÏ_* ! mR22_nacn кг/с тЮ1 9 ~ mR12 nscn

N. , ' % %

1 41,0 3,9 4,61/3,78 1,58/2,02 -27,5 0,035/0,036 2,6

2 45,1 4,0 4,33/3,61 1,66/2,10 -26,5 0,035/0,035 1,1

3 50,0 3,8 3,96/3,32 1,76/2,21 -25,3 0,037/0,035 5,7

4 55,1 3,7 3,62/3,05 1,87/2,33 -34,8 0,038/0,034 11,9

5 60,1 4,1 3,27/2,79 1,97/2,46 -24,7 0,038/0,033 11,4

В целом, характеристики, полученные в результате проведенных испытаний ТНУ на R22, хорошо согласуются с характеристиками, опубликованными производителем компрессора.

Таким образом, результаты испытаний на традиционном для теплонасосной техники хладагенте R22 подтвердили практическую возможность реализации цикла ТНУ на экспериментальном стенде, его надежность и эффективность, определили основные рабочие режимы установки, а также позволили сформировать предпосылки для исследования нового хладагента в качестве рабочего вещества ТНУ - RC318/R846.

На основе полученных значений температурных напоров и КПД компрессора ТНУ на R22 при максимально возможных расходах воды через теплообменники, согласно изложенной выше методике, были рассчитаны значения отопительного коэффициента ТНУ на смеси RC318/R846 (95/5).

Анализ полученных значений показал, что превышение отопительного коэффициента, полученного для смеси RC318/R846 (95/5), над экспериментально полученными значениями ц для PB R22, наступает при температуре воды на выходе из конденсатора выше 46 °С (при /6=55 °С

Мы_расч ~3,99).

Реальные испытания экспериментальной ТНУ (рис. 5) проводились при несколько увеличенной, по сравнению с расчетной, долей гексафторида серы -5,92 % масс. Значения отопительного коэффициента, полученного на основе экспериментальных данных ТНУ на смеси RC318/R846 (94,08/5,92) лесколько ниже значений, полученных при работе ТНУ с рабочим веществом R22 (рис. 7).

Эксергетический КПД ТНУ на смесевом PB RC318/R846 (94,08/5,92) также ниже, чем на чистом веществе R22 (рис. 8), однако проведенные расчеты показали, что аналогичный показатель для отдельно взятых элементов установки значительно выше. Исключением является только компрессор, что вполне объяснимо, поскольку он спроектирован специально для работы на хладагенте R22. По результатам проведенного анализа энергетической эффективности с целью ее дальнейшего повышения рекомендуется выбор компрессора с большей объемной производительностью (или повышенной частотой вращения вала).

«

i

ч

ГШ5Г

1^кКС318Ж846(р> аевЯС318/Л84б(э)

% Я22 0.4 ***

35 40 45 50 55 60 65 Температура воды на выходе из конденсатора ^

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные значения отопительных коэффициентов ТНУ на различных рабочих веществах

40 45 50 55 60

Температура воды на выходе из конденсатора

Рис. 8. Отопительный коэффициент и эксергетический КПД ТНУ на чистом веществе Ш2 и смеси 11СЗ18/11846 (94,08/5,92)

Анализ графиков, представленных на рис. 8, показал, что зона наиболее эффективных режимов работы установки сместилась от /5=46 °С для вещества К22 до /¡5—51 °С для смеси И-СЗ18/К846. Таким образом, следует ожидать существенного повышения энергетической эффективности ТНУ на зеотропных высококипящих рабочих веществах при более высоких температурах низкопотенциального источника (например, циркуляционной воды ТЭЦ), а также в случае необходимости подогрева сетевой воды выше 60 °С.

Следует также отметить, что значения температуры смеси на выходе из компрессора существенно ниже значений, полученных при испытаниях ТНУ на веществе 1122. При температуре воды на выходе из конденсатора = 60 °С температура РВ на выходе из компрессора составляет: 84,4 °С при использовании смеси и 101 °С при использовании 1122. Этот «запас» позволяет обеспечить больший диапазон нагрева воды в конденсаторе при прочих равных параметрах установки.

Использование в качестве РВ ТНУ смесевого хладагента с положительным наклоном кривой конденсации в Т,Б-диаграмме потребовало включения в схему дополнительного аппарата - рекуператора, необратимые потери при теплообмене и трении в котором снизили эксергетический КПД всей установки по сравнению с ТНУ на 1122. Использование в качестве рекуператора теплообменника пластинчатого типа с целью снижения потерь давления РВ позволит повысить энергетическую эффективность ТНУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ По результатам проведенного диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Проведение обзора существующих хладагентов, применяемых в теплонасосной технике, с учетом основных предъявляемых к ним требований позволило выделить наиболее перспективные РВ - природный хладагент диоксид углерода (11744), а также ряд смесевых композиций на основе фторуглеродов (И218,11С318, 113110) с добавлением гексафторида серы (11846).

17

2. Выполнен анализ возможных методов повышения термодинамической эффективности ТНУ:

1) снижение потерь от «внешней» необратимости процессов, связанной с наличием конечной разности температур в аппаратах ТНУ при:

- использовании сверхкритического цикла;

- применении зеотропных смесевых рабочих веществ;

- перераспределении тепловой нагрузки конденсатора (газоохладителя);

- применении схем с «внешней» регенерацией.

2) снижение потерь от «внутренней» необратимости процессов, связанной с конфигурацией самого цикла (применение внутренней регенерации и снижение потерь при дросселировании);

3) оптимизация конфигурации термодинамического цикла:

- выбор рабочего вещества с положительным наклоном кривой конденсации в Т,8-диаграмме;

- подбор концентраций компонентов смесевых рабочих веществ, использование которые позволяют подбирать параметры кривых кипения (конденсации);

- выбор рабочих веществ с необходимыми значениями давлений (ри и рк) и температур (Т0, Тк) конденсации и испарения в цикле;

- использование многоступенчатых компрессоров.

3. Определены и теоретически обоснованы способы получения высокой термодинамической эффективности ТНУ, реализующей сверхкритический цикл на диоксиде углерода - включение в схему низкопотенциального потребителя теплоты и комбинированная выработка теплоты и холода.

4. Разработана универсальная методика сравнения термодинамической эффективности обратных парокомпрессионных циклов при использовании различных РВ. Апробация данной методики позволила определить РВ, термодинамическая эффективность цикла ТНУ при использовании которых максимальна: • смесевые композиции на основе фторуглеродов (октафторциклобутана ЯС318 и декафторбутана ЮНО) с добавлением 5-10 % гексафторида серы 11846.

5. В результате проведенных испытаний экспериментального стенда ТНУ на традиционном РВ 1122 и альтернативной ему смесевой композиции 110318/11846 (94,08/5,92), исследуемой впервые, определены основные энергетические характеристики установки в диапазоне значений температуры воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения, от 40 до 60 °С.

6. Замена традиционного РВ ТНУ 1122 на смесевой хладагент 110318/11846 позволила оценить уровень энергетической эффективности всей установки, который оказался несколько ниже прогнозных оценок. Определенная доработка конструкции установки и оптимизация выбора параметров внешних систем позволит повысить эффективность ТНУ на смеси 110318/11846 и внедрить в теплонасосную технику новое РВ, не только служащее равноценной заменой хладагенту 1122, но и обеспечивающее экологическую и технологическую безопасность установок.

7. Результаты проведенных испытаний позволили сформулировать практические рекомендации по повышению энергетической эффективности ТНУ на смесевом рабочем веществе:

1) выбор специализированного компрессора для сжатия смесевого РВ (большей объемной производительности или повышенной частоты вращения вала);

2) переход к конструкции пластинчатого теплообменного аппарата для рекуператора с целью снижения величины гидравлических потерь;

3) использование более высокой температуры низкопотенциального источника, а также работа ТНУ с получением более высокой температуры подогрева воды;

4) оптимизация состава смеси в соответствии с проектируемыми температурами прямой и обратной сетевой воды с целью их эквидистантного изменения с температурными глайдами рабочих веществ.

8. Результаты теплотехнических испытаний ТНУ на диоксиде углерода, подключенной к трубопроводу обратной циркуляционной воды ТЭЦ и предназначенной для подогрева добавочной воды этой ТЭЦ, подтвердили высокую эффективность сверхкритического цикла ТНУ при оптимизации выбора тепловых потребителей, выявленную ранее при проведении расчетного анализа.

9. Данные испытаний ТНУ на различных РВ (R22, RC318/R846, диоксиде углерода) позволили получить значения основных теплотехнических характеристик процессов теплообмена в аппаратах установок: коэффициентов теплоотдачи со стороны хладагентов, значения коэффициентов теплоотдачи со стороны теплоносителей, а также линейные и интегральные коэффициенты теплопередачи, как в целом для теплообменников, так и для их отдельных участков.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Сухих A.A., Милютин В.А., Антаненкова И.С. Термодинамическая эффективность фторуглеродов как рабочих тел в теплосиловых циклах АЭС // Электрические станции. 2010. №10. С.2-8.

2. Антаненкова И.С. Сухих A.A. Методика сравнения термодинамической эффективности- циклов холодильных и теплонасосных установок // Вестник Международной академии холода. 2012. №4. С. 21-26.

3. Антаненкова И.С., Сухих A.A. Термодинамическая эффективность теплонасосных установок // Вестник Международной академии холода. 2013. № 1. С.43-47.

4. Сухих A.A., Антаненкова И.С., Кузнецов В.Н., Сотсков С.А. Теплотехнические испытания теплонасосной установки на диоксиде углерода // Вестник Московского энергетического института. 2011. № 3. С. 10 - 16.

Изобретения по теме диссертации

1. Сухих A.A., Антаненкова И.С. Патент РФ на полезную модель №75879 «Теплонасосная установка». Приоритет полезной модели 16.04.2008.

2. Сухих A.A., Антаненкова И.С. Патент РФ на полезную модель № 78295 «Теплообменный аппарат». Приоритет полезной модели 26.06.2008.

Тезисы докладов и статьи, опубликованные в материалах конференций

1. Антаненкова И.С., Сухих A.A. Разработка методики сравнения термодинамической эффективности холодильных и теплонасосных установок // Тезисы докладов Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» ИТАЭ-80. Москва. 2012. С. 99-100.

2. Сухих A.A., Антаненкова И.С. Повышение энергоэффективности теплонасосных установок на диоксиде углерода // Тезисы докладов Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» ИТАЭ-80. Москва. 2012. С. 126-127.

3. Сухих A.A., Антаненкова И.С. Особенности схем теплоснабжения на основе теплонасосной установки на диоксиде углерода // Материалы VII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012». Санкт-Петербург. 2012. С. 580-591.

4. Антаненкова И.С., Сухих A.A. Термодинамическая эффективность теплонасосных установок на неазеотропных смесевых хладагентах // Материалы VII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012». Санкт-Петербург. 2012. С. 507-518.

5. Антаненкова И.С., Сухих A.A. Теплонасосная установка на диоксиде углерода в составе ТЭЦ МЭИ // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты». - Барнаул: Изд-во АлтГТУ. 2008. С. 7-11.

6. Антаненкова И.С., Сухих A.A. Теплотехнические испытания теплонасосной установки на диоксиде углерода // Материалы Шестой Всероссийской научно-технической студенческой конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии», посвященной 90-летию со дня рождения А.Г. Усманова. - Казань: Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие». 2010. С. 187-193.

Печ.л. IM Тираж ЮО Заказ Ш

Полиграфический центр МЭИ, Москва, Красноказарменная 13

7 20

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201357940

АНТАНЕНКОВА ИРИНА СЕРГЕЕВНА

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК НА НОВЫХ РАБОЧИХ ВЕЩЕСТВАХ

Специальность — 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный сотрудник Сухих Андрей Анатольевич

Москва 2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМ И ВОПРОСОВ, СВЯЗАННЫХ С ВЫБОРОМ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ.......8

1.1 Обзор и характеристика известных рабочих веществ................................8

1.2 Обзор и характеристика требований к рабочим веществам....................16

1.2.1 Законодательные ограничения.................................................................16

1.2.2 Термодинамическая эффективность.......................................................20

1.2.3 Технико-экономические требования.......................................................22

1.2.4 Требования к безопасности......................................................................23

1.3 Обзор и характеристика перспективных рабочих веществ.........................24

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛА ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ И ВЫБОР РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА...............................................................................................................34

2.1 Методы повышения термодинамической эффективности цикла...............34

2.1.1 Базовый цикл..............................................................................................35

2.1.2 «Внешняя» регенерация............................................................................39

2.1.3 Перераспределение тепловой нагрузки..................................................42

2.1А «Внутренняя» регенерация.......................................................................46

2.2 Методика сравнения термодинамической эффективности.........................48

обратных парокомпрессионных циклов..............................................................48

2.3 Рекомендации по выбору рабочего вещества...............................................52

на основе сопоставления термодинамической эффективности........................52

ГЛАВА 3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ.............................................62

3.1 Теплонасосная установка на рабочем веществе 1122...................................62

3.1.1 Экспериментальная установка.................................................................62

3.1.2 Результаты испытаний..............................................................................67

? *

3.2 Теплонасосная установка на смеси ЯСЗ18/11846..........................................74

, 3.2.1 Экспериментальная установка.................................................................74

3.2.2 Результаты испытаний..............................................................................78

• . 2

3.3 Теплонасосная установка на диоксиде углерода..........................................83

3.3.1 Экспериментальная установка.................................................................83

3.3.2 Результаты испытаний..............................................................................87

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК............................................................................................................92

4.1 Термодинамический анализ энергетической эффективности.....................92

4.2 Анализ теплотехнических характеристик...................................................112

4.2.1 Теплонасосная установка на рабочем веществе И22...........................113

4.2.2 Теплонасосная установка на смеси ЯС318/К846 (94,08/5,92)............122

4.2.3 Теплонасосная установка на диоксиде углерода.................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Поиск рационального способа преобразования энергии посредством той или иной энергетической установки — это, прежде всего, исследование возможностей повышения ее термодинамической эффективности.

Использование теплонасосных установок (ТНУ) представляется наиболее удачным способом реализации потенциальных возможностей эффективного преобразования низкопотенциальной тепловой энергии с целью теплоснабжения и (или) горячего водоснабжения, а также для получения технологического или другого полезного эффекта. Перспективность этого направления подтверждает высокий уровень мирового спроса на теплонасосную технику [54]. В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов, при этом при строительстве общественных зданий во многих случаях используются исключительно ТНУ. В Швеции 70 % теплоты для нужд теплоснабжения вырабатывается ТНУ. В Стокгольме 12 % всего отопления обеспечивается ТНУ общей мощностью 520 МВт, использующими в качестве источника теплоты воду Балтийского моря с температурой 4 - 8 °С. В Германии до 1995 г. государство предоставляло дотацию при внедрении ТНУ в размере 350 марок за каждый 1 кВт установленной мощности. Общий объем продаж выпускаемых за рубежом ТНУ составляет 125 млрд долл. США. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 г. в мире доля ТНУ в теплоснабжении составит 75 %. В России в настоящее время массового производства тепловых насосов нет.

Современный уровень мирового развития теплонасосной техники предлагает потребителю широкий ассортимент установок различной конструкции, мощности и эффективности, конкретный выбор которых зачастую определяется целью и возможностями теплового насоса. Важным фактором, оказывающим влияние на все характеристики ТНУ, а также на решение комплексной задачи их оптимизации, является выбор рабочего вещества теплового насоса.

В свете ограничений, наложенных на производство и использование наиболее широко распространенных хладагентов международными соглашениями, ратифицированными Российской Федерацией (Монреальский протокол в 1987 г. и Киотский протокол в 2004 г.), актуальным становится вопрос поиска новых, перспективных рабочих веществ теплонасосной техники. Мировой тенденцией в этой сфере является переход на природные хладагенты [62], однако выбор приемлемых для этой цели веществ ограничен их физико-химическими и термодинамическими свойствами или требованиями к безопасности при их использовании.

Среди основных требований, предъявляемых к искомым хладагентам, -пожаро- и взрывобезопасность, низкий потенциал озоноразрушения, экологические и медицинские критерии при производстве и эксплуатации, термическая и коррозионная стойкость, цена самого вещества, однако ключевым фактором при выборе того или ицого рабочего вещества является, прежде всего, термодинамическая эффективность цикла при его использовании.

Внедрение нового поколения рабочих веществ ТНУ требует решения ряда вопросов, связанных с обоснованием их выбора, определением энергетической эффективности циклов на них, интенсификацией процессов тепломассообмена в основных аппаратах и др. Решение этих вопросов осложняется отсутствием разработанной обобщенной методики сравнения эффективности применения тех или иных рабочих веществ в циклах ТНУ, а также малым количеством опубликованных данных о результатах теплотехнических и ресурсных испытаний таких установок.

В рамках настоящей работы предполагается разработка методики сравнения термодинамической эффективности ТНУ на различных рабочих веществах. Проведение теплотехнических испытаний ТНУ на рабочих веществах, выявленных в ходе применения такой методики, позволит экспериментальным путем оценить ее работоспособность.

Поиск рабочих веществ, альтернативных запрещенным хладагентам, предполагается вести в области наиболее безопасных для человека природных

5

хладагентов, а также фторорганических веществ, относящихся к классу фторуглеродов, и смесей на их основе, обладающих всеми необходимыми предпосылками для их эффективного использования в ТНУ.

Смесевые хладагенты широко применяются в холодильной технике, однако возможность их использования в качестве рабочих веществ тепловых насосов до недавнего времени в России практически не исследовалась. Особого внимания здесь заслуживают зеотропные (неазеотропные) смесевые хладагенты. Эффективность их использования в тепловых насосах отмечена в 1981 г. Соколовым Е.Я. [8]: «Используя это обстоятельство [температурный глайд зеотропной смеси в процессах конденсации/испарения], можно в ряде случаев подобрать хладоагент так, чтобы изменение его температуры в конденсаторе проходило эквидистантно изменению температуры идущей противотоком воды (или воздуха), а в испарителе - хладоносителя (если его температура переменна). В результате можно уменьшить потери от необратимости...».

В настоящее время следует отметить работы Огуречникова Л.А. [50-53], посвященные использованию зеотропных смесей в тепловых насосах. Есть также отдельные публикации, анализирующие возможность использования таких смесей в ТНУ [32,40], однако все немногочисленные представленные работы носят зачастую лишь теоретический характер. Проведение теплотехнических испытаний ТНУ и создание на их основе необходимой экспериментальной базы данных в этой связи становится особенно актуальным.

Таким образом, настоящая диссертационная работа посвящена поиску новых рабочих веществ, обеспечивающих наибольшую термодинамическую эффективность цикла ТНУ, и анализу условий их применения, а также разработке и экспериментальному исследованию реальных установок с целью подтверждения полученных расчетных результатов.

Для проведения экспериментальных исследований новых рабочих веществ на базе кафедры Теоретических основ теплотехники им. М.П. Вукаловича (ТОТ) ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» (НИУ «МЭИ») разработан и

6

создан стенд ТНУ модульного типа, допускающий оперативную замену рабочего вещества, на конструкцию основных теплообменник аппаратов которого получено авторское свидетельство [15].

Кроме этого, в рамках настоящей работы для проведения теплотехнических испытаний используется опытно-промышленная ТНУ на диоксиде углерода, которая была спроектирована, изготовлена научно-производственной фирмой «ЭКИП» (НПФ «ЭКИП») и закуплена НИУ «МЭИ» в рамках «Инновационной образовательной программы 2007 - 2008 гг».

Результаты, полученные в ходе настоящей диссертации, являются частью исследования, проводимого в рамках работы над инициативным научным проектом № 13-08-01221 «Расчетно-экспериментальное исследование перспективных циклов теплонасосных установок на неазеотропных смесевых рабочих веществах» при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМ И ВОПРОСОВ, СВЯЗАННЫХ С ВЫБОРОМ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

1.1 Обзор и характеристика известных рабочих веществ

История развития тепловых насосов неразрывно связана с историей развития холодильных машин. Такая же преемственность характерна и в отношении рабочих веществ, используемых в теплонасосных установках: многие ключевые события в истории развития рабочих веществ теплонасосной техники совпадают с событиями в истории развития холодильной техники, что вполне закономерно, ведь именно эволюция последней вела к поиску более производительного рабочего вещества (хладагента). Хладагент, будучи основным рабочим веществом любого теплового насоса (холодильника), не только определяет важнейшие характеристики установки (экономичность, надежность, безопасность), но и влияет на их развитие. Выбор рабочего вещества современного теплового насоса - многофакторная задача, решение которой определяет не только «мгновенный» оптимальный эффект внедрения, но и направление дальнейшего развития этой области техники.

С середины XIX и до начала XX века широко распространенными хладагентами были аммиак, диоксид углерода, хлористый этил, сернистый ангидрид, хлористый метил, закись азота, пропан, этан, этилен, дихлорэтилен, изобутан, метилформиат и др. В 30-е годы XX века произошло событие, по существу означавшее переворот в холодильной технике, поскольку широкому ее применению серьезно мешали неблагоприятные свойства большинства используемых хладагентов: запах, токсичность, пожаро- и взрывоопасность [11,12,81].

В 1928 году Т. Мидглей вместе со своими коллегами А. Хенном и Р. Макнари в холодильной лаборатории в Дэйтоне (Огайо, США) синтезировал дихлордифторметан, относящийся к группе хлорфторуглеродов (ХФУ) и названный «фреоном-12» - неогнеопасное, нетоксичное, практически инертное

8

вещество с температурой кипения, идеально подходящей для компрессионных холодильных машин, а затем и другие хлорфторуглероды.

В ходе развития этого направления в 30-е годы на рынке появились фреоны 11, 113 и 114, а с 1935 года - фреон-22, относящийся к группе гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Фреоны 500 и 502 появились в 50-х годах и уже представляли азеотропные смеси фреонов, соответственно, 12, 152а, 22 и 115.

Примерно в это же время (в начале 30-х гг.) получают свое развитие и теплонасосные установки. В Англии создается первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием теплоты окружающего воздуха. После этого начались работы в США, которые впоследствии привели к созданию нескольких демонстрационных установок.

Начиная с 60-х годов, Ш2, Ы22 и 11502 стали одними из основных хладагентов в промышленных и торговых средне- и низкотемпературных холодильных установках, кондиционерах и тепловых насосах.

В 70-е годы ХФУ и ГХФУ стали широко применяться не только в холодильной промышленности, но и в других отраслях: в электронной, в системах пожаротушения, в машиностроении, в производстве теплоизоляции, в косметике и парфюмерии, в медицине и др.

В табл. 1.1 приведены основные физические свойства наиболее широко известных в качестве хладагентов (или компонентов смеси) чистых веществ [10].

Триумфальное шествие фреонов заканчивается в 80-х годах, что было вызвано их влиянием на разрушение озонового слоя Земли (высокая химическая стабильность молекул наиболее широко распространенных фреонов способствует переносу атомов хлора на уровень стратосферы, где он освобождается под воздействием ультрафиолета и взаимодействует с озоном).

Таблица 1.1 - Физические свойства хладагентов (чистых веществ)

Хладагент Химическая формула Обозначение хладагентов по международному стандарту ISO 81774 Молекулярная масса Температура насыщения ts, °С, при 0,1 МПа Температура критическая tKp, °С Давление критическое ркр, МПа Температура затвердевания Теплота парообразования при ts, кДж/кг GWP* ODP*

Дифтордихлорметан (фреон-12) cf2c12 R-12 120,92 -29,8 112,0 4,12 -155,0 167,2 8500 0,9

Дифтормонохлорметан (фреон-22) chf2ci R-22 86,48 -40,8 96,1 4,99 -160,0 234,0 1700 0,050

Трифторметан (фреон-23) chf3 R-23 70,01 -82,2 26,3 4,87 -160,0 278,4 12100 0

Пентафтормонохлорэтан (фреон-115) c2f5c1 R-115 154,48 -38,0 80,0 3,30 -106,0 131,5 9300 0,4

Тетрафтормонохлорэтан (фреон-124) C2HF4CI R-124 136,48 -12,0 122,5 3,63 -199,0 169,0 480 0,030

Пентафторэтан (фреон-125) C2HF5 R-125 120,02 -48,1 66,3 3,63 -103,0 166,4 3200 0

Тетрафторэтан (фреон-134а) c2h2f4 R-134a 102,03 -26,1 101,1 4,06 -101,0 221,7 1300 0

Дифтормонохлорэтан (фреон- 142Ь) c2h3f2ci R-142b 100,48 -9,3 136,5 4,14 -130,8 223,6 2000 0,065

Трифторэтан (фреон-143 а) c2h3f3 R-143a 84,04 -47,6 73,1 3,80 -111,3 233,1 4400 0

Дифторэтан (фреон-152а) c2h4f2 R-152a 66,05 -25,0 113,5 4,60 -138,7 334,2 140 0

Продолжение табл. 1.1

Перфторпропан (фреон-218) c3f8 R-218 188,03 -36,7 71,9 2,65 - 107,7 34000 0

Метиленфторид cf2h2 R-32 52,02 -51,7 78,4 5,84 -136,0 391,6 580 0

н-Перфторбутан c4f10 R-3110 238,04 -1,7 113,3 2,32 - 98,0 5500 0

Октафторциклобутан c4f8 RC-318 200,04 -6,0 115,3 2,78 -40,2 112,0 9100 0

Аммиак NH3 R-717 17,03 -33,4 132,4 11,50 -77,7 1370,0 1 0

Диоксид углерода С02 R-744 44,01 -78,5 31,0 7,50 -56,6 571,5 1 0

Шестифтористая сера sf6 R-846 146,05 -63,8 45,6 3,76 - 126,6 23900 0

Пропан с3н8 R-290 44,10 -42,2 96,8 4,30 -187,1 427,4 20 0

Бутан С4Н10 R-600 58,08 -0,6 153,0 3,60 -135,0 385,9 20 0

Изобутан (СНз)зСН R-600a 58,12 -11,7 133,7 3,80 -159,6 381,3 - -

Пентан с5н12 R-601 32,70 36,0 197,0 3,40 -131,5 360,3 11 0

* GWP - потенциал глобального потепления (global warning potential) относительно диоксида углерода. ODP -потенциал истощения озонового слоя (ozone depleting potential) относительно R-l 1.

Законодательные ограничения, наложенные подписанием в 1987 г. международным сообществом Монреальского протокола [1,3], привели к широкому поиску альтернативных рабочих веществ - как для применения их в новых установках, так и для замены запрещенных хладагентов в уже существующих системах.

Для замены R12 с начала 90-х годов основными мировыми производителями химической продукции были разработаны и выпускаются однокомпонентный озонобезопасный хладагент R134a и альтернативные сервисные («переходные») смеси [11,27,30,31,37,39,42,45,46]. Среди компонентов «переходных» смесевых хладагентов фигурируют фреоны-22, 142Ь, 21, 218, 318, 152а, шестифтористая сера, 134а, углеводороды, эфиры.

Принятие международным сообществом поправок к Монреальскому протоколу ускорило процесс вывода из обращения и некоторых переходных хладагентов, в частности, фреонов R21, R22, R142b.

Синтезированный озонобезопасный фреон-125 для замены фреона-22 серьезно уступает ему по многим показателям эффективности. Для использования в новом оборудовании, предназначенном для сектора, занимаемого фреоном-22, разработаны и применяются многочисленные композиции из двух, трех и даже четырех составляющих, в составе которых фреоны-134�