Розрахунок режимних і енергетичних параметрів парокомпресійного теплового насоса

Вихідні дані:

Завдання:

• Визначити розрахункові температури цикла
• Визначити термічні параметри холодоагента у вузлових точках
• Розрахувати питомі теплові навантаження на обладнання
• Розрахувати повні навантаження на обладнання
• Розрахувати показники енергоефективності

Додаткові джерела інформації, необхідні для розрахунку:

• CoolPack [1]
• Таблиця властивостей води [2]
• Таблиця властивостей 27,4% розчину етиленгліколя [3]

Порядок проведення розрахунку:

Визначаємо термічні параметри холодоагента у вузлових точках циклу:

• температура у точці 1 (всмоктування у компресор) t₁ = t_в + 10°С (інші параметри визначаємо з [1])
• для точки 2_s параметри знаходимо з [1] як параметри у кінці процесу стиснення в ідеальному ізоентропному компресорі
• ентальпію у точці 2 (нагнітання компресора) знаходимо із формули для індикаторної роботи компесора l_oi = l_s / ƞ_s , кДж/кг, де l_s = h_2s - h₁ кДж/кг. Тоді h₂ = h₁ + l_oi , кДж/кг. Тиск р₂ у точці 2 дорівнює тиску конденсації р_к. За цими параметрами температуру t₂ та інші параметри у точці 2 знаходимо з [1]
• температура t₃ у точці 3 (вихід з конденсатора) дорівнює температурі конденсації t_к . Інші параметри знаходимо для стану насиченої рідини (х=0) з [1]
• температура t₄ у точці 4 (вихід із субкулера) визначається за формулою t₄ = t_1п + (5...8)°С (інші параметри визначаємо з [1])
• температура t₇ у точці 7 (вихід із випарника) дорівює температурі випаровування t_в . Інші параметри для точки 7 визначаємо для стану сухої насиченої пари (х=1) з [1]
• для визначення параметрів у точці 5 (вихід з регенеративного теплообмінника) складаємо рівняння теплового балансу q_7-1 = q_4-5 або h₁ - h₇ = h₄ - h₅ . Звідки знаходимо h₅ = h₄ - (h₁ - h₇), кДж/кг. Інші параметри знаходимо з [1].
• температура t₆ у точці 6 (вихід з дросельного пристрою) знаходиться за умови h₅ = h₆ . Інші параметри знаходимо з [1].

Розраховуємо питомі теплові навантаження на обладнання:

• для конденсатора q_К = h₂ - h₃ , кДж/кг
• для субкулера q_СК = h₃ - h₄ , кДж/кг
• для регенеративного теплообмінника q_РТО = h₁ - h₇ , кДж/кг
• для випарника q_В = h₇ - h₆ , кДж/кг
• питома теплопродуктивність q_Т = q_К + q_СК = h₂ - h₄ , кДж/кг
• перевірка правильності розрахунку q_Т = q_В + l_oi , кДж/кг

Розраховуємо повні теплові навантаження на обладнання:

• масова витрата холодоагента m_а = Q_т / q_Т , кг/с
• для конденсатора Q_К = m_а × q_К , кВт
• для субкулера Q_СК = m_а × q_СК , кВт
• для регенеративного теплообмінника Q_РТО = m_а × q_РТО , кВт
• для випарника Q_В = m_а × q_В , кВт
• індикаторна потужність компресора N_oi = m_а × l_oi , кВт
• ефективна потужність компресора N_е = N_oi / ƞ_мех , кВт
• електрична потужність привідного електродвигуна N_ел = N_е / ƞ_ЕД , кВт
• коефіцієнт перетворення теплового насоса СОР_е = Q_т / N_е , СОР_ел = Q_т / N_ел
• об'ємна продуктивність компресора V₁ = m_а × υ₁ , м³/мин (υ₁ - питомий об'єм у точці 1)
• масова продуктивність утилізуємого середовища через випарник (у первинному контурі ТНУ) G_у = Q_В / (С_у × (t_1у – t_2у)) кг/год., де С_у - теплоємкість утилізуємого середовища при середній температурі (t_1у + t_2у)/2 [2, 3]
• об'ємна витрата утилізуємого середовища через випарник V_у = G_у / ρ_у , м³/год. (ρ_у - густина утилізуємого середовища при середній температурі (t_1у + t_2у)/2 [2, 3])
• масова витрата води, що нагрівається, через субкулер та конденсатор (для споживача у вторинному контурі) G_п = Q_Т / (С_п × (t_2п – t_1п)), кг/год., де С_п - теплоємкість води, що нагрівається при середній температурі (t_1п + t_2п)/2
• об'ємна витрата води, що нагрівається V_п = G_п / ρ_п , м³/год. (ρ_п - густина води, що нагрівається при середній температурі (t_1п + t_2п)/2 [3])
• температура води після субкулера (необхідна для ексергетичного аналізу) Q_CК = G_п × С_п × (t_1'п – t_1п) звідки t_1'п = t_1п + Q_CК / (G_п × С_п), °С

Розраховуємо показники енергоефективності:

• річне вироблення теплоти Q_річ = Q_т × τ_Р , кВт × год.
• річні фінансові витрати на електроенергію С_е/е = ц_е/е × N_ел × τ_Р , грн.
• питома вартість теплоти С_Q = С_е/е / Q_річ , грн. / (кВт × год.) (грн. / (кВт × год.) × 1164 = грн. / Гкал)