Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE HIGH-TEMPERATURE THERMAL PUMP FOR NEEDS OF HEATING USING AS THE SOURCE OF WARMTH OF WATER OF THE LAKE OLD KUBAN

Bondarenko D.V. 1 Shevchuk I.I. 1
1 FGBOU VPO "Kuban State Technological University"
Проведён анализ использования фреона (R600a) в качестве рабочего тела в тепловом насосе работающем на воде озера Старая Кубань, воды которого используются Краснодарской ТЭЦ для охлаждения конденсаторов. Приведены принципиальная схема высокотемпературного теплового насоса, Ph диаграмма тепловых процессов работы теплового насоса на фреоне (R600a) на воде озера Старая Кубань и температурный график подачи существующих тепловых насосов и нужд на отопление в зависимости от температуры окружающей среды. Теоретически доказывается эффективность применения данного фреона для использования его в высокотемпературных тепловых насосах. Практическое применение данного теплового насоса приведёт к улучшению экологического состояния озера. Результаты исследования в дальнейшем могут быть использованы для нужд отопления, так как данный тепловой насос имеет преимущества перед существующими.
The analysis of use of freon (R600a) as a working body in the thermal pump working at lake water Old Kuban which waters are used by the Krasnodar combined heat and power plant for cooling of condensers is carried out. The schematic diagram of the high-temperature thermal pump, Ph the chart of thermal processes of operation of the thermal pump are given in freon (R600a) on lake water Old Kuban and the temperature schedule of giving of the existing thermal pumps and needs on heating depending on ambient temperature. Efficiency of use of this freon for its use in high-temperature thermal pumps is theoretically proved. Practical use of this thermal pump will lead to improvement of an ecological condition of the lake. Results of research can be used further for needs of heating as this thermal pump has advantages before the existing.
high-temperature thermal pump
freon (R600a)
lake Old Kuban

Тепловые насосы широко применяются во всем мире. В первую очередь, это связано с идеей энергосбережения. Однако в России использование теплонасосного оборудования непопулярно из-за длительного срока окупаемости. Вомногом это связано с тем, что у выпускаемых промышленностью тепловых насосов температура подачи составляет до 70оС, что обеспечивает нужды ГВС, а для отопления они могут использоваться только в сочетании с «тёплыми полами» или в комбинации с другими источниками тепла.

Источником низкопотенциальной теплоты могут выступать атмосферный воздух, грунт, грунтовые воды и т.д. Однако в этих случаях требуются большие площади поверхностей нагрева, и в связи с этим применение тепловых насосов в городской черте очень ограничено. На Краснодарской ТЭЦ для охлаждения конденсаторов используется вода из о. Старая Кубань. Поэтому температура воды в озере даже в зимний период достигает 25оС[2]. Этого вполне достаточно для работы теплового насоса, передающего теплоту в систему отопления и горячего водоснабжения зданий. Кроме того, использование озерной воды в качестве источника низкопотенциальной теплоты окажет позитивное влияние на экологию водоема.

На рис. 1 изображена схема выбранного для исследования высокотемпературного теплового насоса.

Рис. 1. Принципиальная схема высокотемпературного теплового насоса.

А – испаритель; В – перегреватель; С – компрессор; D – конденсатор; E – переохладитель; F – дроссель;

1 – озеро; 2 – водяной насос; 3 – озерная вода; 4 – нагретая вода; 5 – обратная вода; 6 – сбросная вода;

tоз1 – температура озёрной воды перед испарителем;tоз2 – температура озёрной воды после испарителя;t1 – температура фреона перед испарителем; t2 – температура фреона перед перегревателем (вход по холодной стороне); t3 – температура фреона перед компрессором; t4 – температура фреона перед конденсатором; t5 – температура фреона перед переохладителем (вход по горячей стороне); t6 – температура фреона перед перегревателем (вход по горячей стороне);t7 – температура фреона перед дросселем;

tобр – температура обратной воды перед переохладителем (вход по холодной стороне);t’обр – температура воды перед конденсатором; tпод – температура подаваемой воды.

Вода из о. Старая Кубань подаётся насосом в испаритель, где передав часть своей энергии фреону сбрасывается обратно в водоём. Фреон после испарителя подаётся в перегреватель (по холодной стороне), а после него сжимается в компрессоре и направляется в конденсатор, где оннагревает ранее подогретую обратную воду отопительной линии. За конденсатором фреон следует в переохладитель (по горячей стороне), где подогревается обратная вода отопительной линии. Затем фреон направляется в перегреватель (по горячей стороне). После чего, пройдя через дроссель, возвращается к первоначальным значениям.

В качестве рабочего тела использован фреон (R600a), который не имеет экологических недостатков и позволяет достигнуть необходимых температурных режимов[5].

На рис. 2 приведён цикл высокотемпературного теплового насоса на Ph-диаграмме фреона (R600a), работающего на водах о. Старая Кубань.

Рис. 2. Ph-диаграмма тепловых процессов работы высокотемпературного теплового насоса на фреоне (R600a) на воде о. Старая Кубань

Расчёт высокотемпературного теплового насоса на водах о. Старая Кубань:

Массовое количество циркулирующего хладагента, :

; (1)

Потребление механической энергии на привод компрессора, :

; (2)

Электромеханический КПД электродвигателя на валу компрессора принимается равнымηэм= 0.98. Потребление электрической энергии на привод компрессора, :

; (3)

Коэффициент трансформации тепла определяется по формуле:

; (4)

Коэффициент трансформации тепла μ = 3.36 получился достаточно высоким. И необходимо учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе

Δt = tконд – tисп = 108 – 0 = 108 ºС,

недоступный для большинства других типов тепловых насосов [1].

На рис. 3 продемонстрирован температурный график подачи существующих тепловых насосов и нужд на отопление.

Рис. 3. Температурный график подачи существующих тепловых насосов и нужд на отопление в зависимости от температуры окружающей среды

Повысив температуру подачи до 95°С, что полностью покроет нужды в отоплении, мы увеличиваем число часов работы теплового насоса в году, что благоприятно скажется на его окупаемости.

Для дальнейшего исследования необходима постройка экспериментальной модели высокотемпературного теплового насоса и проведение опытов с уточнением его технических данных.

Выводы:

1. Расчеты показывают, что высокотемпературные тепловые насосы на фреоне (R600a) могут обеспечить нагрев горячей воды до 95 ºС, что полностью обеспечит нужды в отоплении и иметь коэффициент трансформации тепла μ =3,36 на водах о. Старая Кубань.

2. Использование высокотемпературных тепловых насосов на о. Старая Кубань благоприятно скажется на экологии водоёма.

3. Необходимо проводить дополнительные экспериментальные исследования для продолжения разработки данной темы.

Рецензенты:

Гапоненко А.М., д.т.н., профессор кафедры теплоэнергетики и теплотехники Института нефти, газа и энергетики ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар;

Бутузов А.В., д.т.н., директор ООО «Энерготехнологии», г. Краснодар.