Компресорни термопомпи

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2007

 

Характеристики, условия на избор, ефективност на термопомпа

В заобикалящата ни среда – земя, въздух и вода, се акумулира голямо количество топлинна енергия. На определена дълбочина в земните пластове и във водните басейни температурата слабо се влияе от външните атмосферни условия и се запазва относително постоянна през цялата година. С помощта на термопомпите тази акумулирана слънчева енергия може да се използва за отопление, подгряване на топла вода или за производство на охлаждане. Самата термопомпа представлява топлинна машина, преобразуваща топлина от по-ниско температурно ниво в топлина от по-високо температурно ниво. За осъществяването на процеса, в системата се влага допълнителна енергия.

Известен факт е, че в природата процесите протичат винаги в една посока - от по-високия към по-ниския температурен потенциал до настъпване на равновесие. За да се осъществи обратният процес, характерен за термопомпите, съгласно втория принцип на термодинамиката, в системата трябва да се вложи енергия, която да увеличи ентропията й. Този процес се осъществява по известния от термодинамиката обратен кръгов цикъл на Карно. При този цикъл механичната работа пренася топлина, като едновременно с това повишава температурното й ниво. Получената по-висока температура е следствие на сгъстяване на работното вещество (газове или пара) в компресор. Като показател за ефективността на всеки кръгов процес се използва отношението на полученото количество топлина или студ към изразходваната работа.

Класификация на термопомпите

Признаците, по които се класифицират термопомпите, са различни. Основните са вид и агрегатно състояние на енергоносителя, вид на топлоносителя, предназначение на консуматора и принцип на действие. Класификацията, основаваща се на базата на агрегатното състояние на енергоносителя, е в зависимост от работното тяло, подвеждащо топлина в изпарителя и работното тяло, приемащо топлина в кондензатора. Най-често срещани са термопомпите въздух-въдух, въздух-вода, вода-въздух, вода-вода, земя-вода. Според вида на източника на енергия, термопомпите се определят като термопомпи, оползотворяващи енергия на околния въздух, водоеми, земни пластове, отпадъчна и технологична топлина, слънчева енергия и геотермална енергия. В зависимост от предназначението си, термопомпите са предназначени за отопление, за производство на гореща вода, за изсушаване на въздух, а също и за технологични цели. Според принципа на действие се класифицират като компресорни, сорбционни, компресорно-сорбционни, термоелектрически, пароежекторни и студеногазови. В практиката най-голямо приложение намират компресорните и сорбционните термопомпи.

Работни цикли на компресорни термопомпи

Термосгъстяване (отворени цикли). При този процес парите от технологичния процес се засмукват директно от компресора, където се сгъстяват. Повишили своето налягане и температура, те отново отдават топлината си на кондензация в технологичния процес. За компресорните термопомпи не са характерни загуби от процеса на дроселиране. Температурната разлика DТ е равна на Тк - То , където Тк е температурата на кондензация (температура на отопляваната среда), а То е температурата на изпарение (температура на охлажданата среда) и покрива само термичните съпротивления при топлообмена. Топлинните баланси при този процес са топлинен поток при изпарение (Qo), топлинен поток при кондензация (Qk), подведена мощност към компресора (L). Коефициентът на трансформация j е отношението на топлинния поток при кондензация към подведената мощност към компресора. Теоретично коефициентът на трансформация може да достигне стойности j » 10 – 20, поради малките стойности на разликите в температурите и наляганията при кондензация и изпарение. За да се получи действителният коефициент на трансформация, теоретичният се умножава с коефициента h, чийто стойности варират в диапазона 0,55 - 0,70 в зависимост от производителността на изпарителната инсталация.

С помощта на коефициента h ориентировъчно се отчитат механичните загуби в компресора и електродвигателя, както и топлинните загуби през изолацията.

Затворени цикли или т.нар. термопомпени цикли. Процесът, който протича в компресорните термопомпи, е сух студенопарен кръгов цикъл, който теоретично се нарича още сравнителен обратен кръгов цикъл. Теоретично, термодинамичните процеси, които протичат при този цикъл, са четири. Първият е процес на сгъстяване на работното тяло в компресора с помощта на внесена отвън работа. Вторият процес е процес на кондензация, при който се отвежда топлината на кондензация чрез кондензация на работното тяло, като налягането се запазва постоянно. След кондензатора работното тяло преминава през дроселиращ вентил, вследствие на което постъпва в изпарителя с понижено налягане. В изпарителя с помощта на подвеждане на топлина, работното тяло се изпарява, като налягането се запазва постоянно.

В действителност между

теоретичния и действителния компресорен цикъл

има няколко разлики. При реално протичащия процес сгъстяването на хладилния агент в компресора е необратим процес. Характерни за него са загуби при дроселиране на хладилния агент, загуби от триене, загуби в процеса на засмукване от топлообмена между хладилния агент и стените на цилиндъра, както и загуби вследствие на крайната температурна разлика между хладилния агент и топлоносителя в процесите на изпарение и кондензация.

Теоретичният коефициент на трансформация jth се изразява с отношението на специфичната топлинна мощност qk към специфичния разход на енергия l, или отношението на масовия дебит на работното тяло Qk към разхода на енергия L.

При компресорните термопомпи енергийните загуби освен че увеличават разхода на енергия, водят и до повишаване на полезното топлопроизводство. Затова при изчисляване на действителния коефициент на трансформация, трябва да се вземат предвид особеностите на компресорната термопомпа, т.е индикаторният, механичният и електрическия КПД, както на компресора, така и на електродвигателя. Степента на термодинамично съвършенство h се изразява с отношението на действителния коефициент на трансформация към теоретичния, като h < 1.

Компресорни термопомпени агрегати

Представляват готови за монтаж съоръжения, включващи компресор със задвижване, кондензатор, изпарител, тръбни връзки между тях, пулт за управление, предпазни и контролно-регулиращи съоръжения. Според вида на двигателя, задвижващ компресора, тази вид термопомпени агрегати се определят като електрически, газови и дизелови. А според типа на компресора, се класифицират като бутални, спирални, винтови и турбокомпресорни.

Типът на компресора определя и максималната мощност на термопомпените агрегати. С най-ниска мощност са спиралните компресори - от 10 до 200 - 300 kW. Турбокомпресорите се отличават с най-голяма мощност в диапазона от 600 - 900 kW до 12 - 17 MW. За буталните компресори мощността е от 2,0 до 400 - 600 kW, докато за винтовите компресори мощността варира от 200 - 300 kW до 2,7 - 4,0 MW.

Избор на термопомпен аргерат

При избора на термопомпен агрегат освен коефициента на трансформация, трябва да се вземат предвид и някои допълнителни фактори, като тип на компресора, хладилен агент и др. Причината е, че до голяма степен ефективността на термопомпената инсталация зависи от правилния избор на термопомпен агрегат.

Когато термопомпеният агрегат е с електрическо задвижване на компресора, при предварителния избор се ползват графики, при построяването на които се използват осреднените зависимости на коефициента на трансформация j от температурата на изходящата от кондензатора вода и от температурата на изходящата вода от изпарителя. А самите стойности се получават при понижаване на температурата на първичния енергоносител в изпарителя с Dtи = 5К и повишаване на температурата на топлоносителя в кондензатора с Dtк = 10К. В изпарителя и кондензатора циркулира технически чиста вода, т.е значително намалява термичното съпротивление от замърсявания. В реални условия, обаче, термичното съпротивление от замърсявания се увеличава двукратно спрямо това от технически чистата вода, което води до влошаване на коефициента на трансформация с 2 до 5%. Температурите на енергоносителя в изпарителя и на топлоносителя в кондензатора намаляват, което води до влошаване на коефициента на трансформация.

При използването на газов или дизелов двигател за задвижване на компресора, в процеса на първоначалния избор като база за сравнение се използва не коефициентът на трансформация, а т.нар. топлинен коефициент. Тъй като в този случай освен топлината, получена в кондензатора на термопомпата, се оползотворява и топлината на изходящите газове и топлината, получена от охлаждане на цилиндрите и маслото на двигателя. Самият топлинен коефициент се дефинира като отношение на топлинния поток, получен от термопомпения агрегат и топлинния поток, подведен в двигателя.

Работни вещества на термопомпата

Сред хладилните агенти, съобразени с Монреалския протокол, които намират най-широко приложение при работата на компресорните термопомпи, са R22, R134а, R123, R124. Хладилните агенти R11, R12, R114 са забранени за употреба. Основният показател, спрямо който се избира хладилен агент, е температурата на кондензация. При температура на кондензация в диапазона от 55-58 оС се използва R22, а когато температурата е в рамките на 70-75 оС, се прилага R134а. За температура на кондензация до 90-95 оС се използва широко R124.

Важността на икономическата ефективност

Термопомпа, която изцяло да задоволява потребностите от топлина, се среща сравнително рядко в практиката. Най-често термопомпената инсталация се комбинира с конвенционален топлинен източник, който допълва недостига на топлина. Целта е термопомпената инсталация да задоволява по-голямата част от топлинните потребности, което да доведе до ограничаване на разходите за първични енергийни източници. Без намаляване потреблението на първични енергийни ресурси, една термопомпена инсталация не само няма да възвърне направените капиталовложения, но ще доведе до допълнително натоварване на енергийното стопанство. Следователно, термопомпените инсталации освен по отношение на термодинамичната си ефективност, следва да се оценяват и като икономическа ефективност.

Основен момент при определяне на

ефективността
и рентабилността

на една термопомпена инсталация е коректността на оценката на топлопотреблението от консуматора и топлоизточника. Обикновено потреблението на топлина от страна на консуматора не е постоянно, а варира в рамките на ден, седмица, месец и година. За определяне на годишното топлопроизводство се построяват графики на работата и потреблението на топлина от отделните консуматори. Задължително се оценява и степента на едновременна консумация, както и влиянието на външните фактори, което се отчита на базата на средногодишни статистически данни. В случаите, при които е налице консумация и на топлина, и на студ, се построява и графика за студопотреблението. На базата на графиките за топлопотреблението, се определя средният топлинен коефициент, който е основен показател за технико-икономическа оценка на една термопомпена инсталация.

За компресорните термопомпени инсталации средният годишен топлинен коефициент се изчислява по формулата

z = QkN/NQв = jh,

където Qk в MWh е полезно годишно топлопроизводство; N в MWh е годишна консумация на електроенергия от електродвигателя; Qв в MWh представлява топлинен еквивалент на годишно изразходвания първичен енергиен източник; j – средногодишен коефициент на преобразуване; h – общ коефициент на полезно действие на системата за добиване и доставяне на електроенергия до клемите на електродвигателя.

Изчисляване на икономическата ефективност

За оценка на стопанската ефективност на термопомпените инсталации се използва т.нар. показател за енергийна ефективност. Той характеризира топлинния еквивалент на изразходвания първичен енергиен източник за получаване на единица топлина на входа на консуматора. Счита се, че термопомпената инсталация е стопански ефективна, ако стойността на този показател е по-ниска в сравнение с тази на една конвенционална система.

Икономическата ефективност на една термопомпена инсталация се изчислява по формулата

Е = (Рк/Га + Рп)/И,

където Рк/Га, лв./год. са годишни амортизационни отчисления; Рп, лв./год. – годишни производствени разходи, И, лв./год. се определя като годишен икономически ефект от използването на термопомпена инсталация. От своя страна, И представлява произведение от параметрите DВ.Ц, лв./год. Във формулата с DВ, t/год. е показана годишната икономия на първичен енергиен източник, вследствие използването на термопомпена инсталация. Получава се, като от разходите за първичен енергиен източник при конвенционална система се приспаднат разходите, характерни за термопомпена инсталация. С Ц, лв./t е означена цената на единица първичен енергиен източник.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top