На правах рукописи
Гуреев Виктор Михайлович
Повышение эффективности теплонасосных установок на основе численного и физического моделирования.
Специальность: 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Казань 2010
Работа выполнена на кафедре «Теоретические Основы Теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева-КАИ
Научный консультант:
|
Доктор технических наук, профессор Гортышов Юрий Федорович
|
Официальные оппоненты:
|
Доктор технических наук, профессор Калнинь Игорь Мартынович
|
|
Доктор технических наук, профессор Сабирзянов Айдар Назимович
|
|
Доктор технических наук, профессор Дрегалин Анатолий Федорович
|
Ведущее предприятие:
|
Объединенный институт высоких температур РАН
|
Защита состоится «__» ___________ 2010 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу 420111 г. Казань,
ул. К.Маркса, 10.
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева – КАИ. Электронный вариант автореферата размещен на сайте referat_vak@obrnadzor.gov.ru
Автореферат разослан «___» __________________2010 г
Ученый секретарь
Диссертационного совета
к.т.н., доцент А.Г. Каримова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Использование теплонасосного оборудования в области теплоснабжения стало основным энергосберегающим мероприятием не только в мире, но и в России. Множество российских и зарубежных организаций занимаются созданием опытно-промышленных образцов теплонасосных установок отопительного и технологического назначения, так как Россия имеет огромный потенциал низкотемпературных тепловых ресурсов, которые можно использовать для теплоснабжения.
В большинстве европейских государств (за исключением Скандинавских стран) тепловые насосы применяются в основном для горячего водоснабжения, количество таких установок превышает 70% от их общего числа. Распространение тепловых насосов для ГВС связано с малыми отопительными периодами в странах Европы, США и странах азиатского региона, продолжительность которых составляет в среднем 3500-3800 часов в год. Срок окупаемости при использовании тепловых насосов для ГВС составляет 2,5 года, а для целей отопления – 5-8 лет. Использование тепловых насосов для горячего водоснабжения – наиболее выгодный вариант как с термодинамической, так и с экономической точек зрения.
В реальных теплонасосных установках чаще всего часть жидкого фреона вскипает, и в испаритель теплового насоса поступает парожидкостная смесь. Доля жидкого фреона, вскипевшая при дросселировании, составляет приблизительно 30%. При работе ТН на ГВС гарантировано отсутствие такого отрицательного эффекта и, соответственно, возможно получение максимального значения коэффициента трансформации φ. При работе в отопительном режиме теплового насоса потребителем будет получено меньшее на 25-30% количество тепловой энергии.
В российских условиях наиболее востребованы теплонасосные установки для целей отопления, а, следовательно, рассчитанные на более высокие температуры. Поэтому для российских климатических условий должны разрабатываться тепловые насосы, отличающиеся от зарубежных. При повышении температуры горячей воды снижение коэффициента трансформации будет только возрастать.
Значительное количество работ последних лет посвящено вопросам обеспечения конкурентоспособности ТНУ по сравнению с другими способами теплоснабжения. В работах Бродянского В.М., Янтовского Е.Н., Калниня Е.М., Хейндриха Г. и т.д. в качестве границы конкурентоспособности принимается минимальный коэффициент преобразования =2,5-4. При существующих тарифах на энергетические ресурсы в России, даже при коэффициенте преобразования ≥4, парокомпрессионные теплонасосные установки часто оказываются экономически нерентабельными. Используемая методика расчетов и циклового анализа параметров ТНУ дает их завышенные значения, что в дальнейшем приводит к тому, что внедрение тепловых насосов экономически не оправдывается. Возникла необходимость в выявлении причин, приводящих к получению завышенных значений, а так же разработке новых способов повышения эффективности ТНУ в целом и эффективности отдельных ее элементов.
Наиболее полно изучены данные вопросы применительно к холодильной технике, а для тепловых насосов остаётся масса нерешённых вопросов в области: разработок методик расчётов ТНУ с учётом реальности параметров элементов установок и рабочих тел; перевода свойств рабочих тел ТНУ в электронную форму; оптимизации схемных решений ТНУ; повышения эффективности теплообменного оборудования, компрессоров и т.д. Решение данных вопросов делает данную работу актуальной.
Цель исследований: повышение эффективности теплонасосных установок и их элементов на основе численного и физического моделирования процессов теплообмена и гидродинамики, разработка на основе исследований рекомендаций и методик уточнённых расчётов параметров ТНУ.
Основные задачи:
Провести анализ опыта внедрения теплонасосных установок в эксплуатацию для энергетических и технологических целей; выявить основные проблемы технического и экономического характера, сдерживающие внедрение ТНУ; определить наиболее перспективные способы повышения эффективности ТНУ и разработать рекомендации по их использованию;
Разработать методики расчета теплотехнических параметров теплонасосных установок с использованием программного комплекса для термогазодинамических расчетов энергетических установок «ПОТОК», провести модернизацию программного комплекса и адаптацию его для расчетов теплонасосных установок;
На базе численных исследований процессов, проходящих в теплонасосных установках, разработать методы повышения эффективности теплонасосных установок и их элементов, а так же соответствующие им опытные стенды и экспериментальные установки. Выявить и математически описать влияние основных внешних и внутренних параметров ТНУ на их эффективность;
Разработать опытные образцы теплонасосных установок и их элементов с улучшенной эффективностью и провести натурные исследования ТНУ и их основных элементов. Разработать конкретные рекомендации по повышению эффективности парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок.
На основе фундаментальных и прикладных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
Разработаны численные модели основных элементов парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок в программном комплексе термогазодинамических расчетов энергетических установок, проведена модификация программного комплекса;
Разработана методика представления свойств рабочих тел теплонасосных установок в виде, удобном для использования в расчетном комплексе для термогазодинамических расчетов парокомпрессионных ТНУ;
Разработана методика использования программного комплекса для расчета теплотехнических характеристик теплонасосных установок в нерасчетных режимах работы;
Установлены и математически описаны зависимости основных показателей эффективности теплонасосных установок от их внешних и внутренних параметров, разработаны рекомендации для выбора оптимальных параметров тепловых насосов;
Разработан способ повышения эффективности приводного газопоршневого двигателя парокомпрессионной ТНУ за счет использования добавок водородного топлива, проведено экспериментальное исследование влияния добавок водорода в газовый двигатель, обеспечивающих максимальный рост эффективности двигателя;
Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности приводного газопоршневого ДВС ТНУ за счет использования поршневого уплотнения нового типа, проведена опытная апробация работоспособности поршневого уплотнения;
Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности теплообменных аппаратов для парокомпрессионных ТНУ за счет использования конусообразных труб и корпусных деталей.
Обоснованность и достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждается сравнением результатов численных исследований с результатами физического эксперимента по определению характеристик элементов теплонасосных установок и удовлетворительной их сходимостью, применением современных методов численного анализа и эффективных методик измерения экспериментальных параметров, оценкой погрешностей измерений.
Научная новизна результатов исследования состоит в:
Разработке методики оценки эффективности парокомпрессионных теплонасосных установок с использованием специализированного программного комплекса для термогазодинамических расчетов и модернизации программного комплекса для проведения термодинамического анализа теплонасосных установок на двухфазных рабочих телах;
Разработке базы данных термодинамических и теплофизических параметров рабочих тел для теплонасосных установок в электронном виде (7 рабочих тел);
Выявлении функциональных зависимостей между параметрами источника низкопотенциальной теплоты и потребителя тепловой энергии и внутренними параметрами ТНУ и оптимизации схемных решений парокомпрессионных ПТНУ на базе численного анализа параметров теплонасосных установок;
Разработке метода повышения эффективности теплообменных аппаратов в составе теплонасосных установок за счет применения конусообразной формы корпуса и трубок теплообменника, с использованием результатов численных исследований при изготовлении прототипа интенсифицированного теплообменного аппарата;
Разработке метода повышения эффективности теплонасосных установок за счет использования в качестве привода газопоршневых двигателей с новым типом поршневого уплотнения;
Разработке метода повышения эффективности газотурбинного привода теплонасосных установок за счет добавки пара в газовый тракт ГТУ и в выявлении по результатам численного исследования влияния добавок пара на эффективность ГТУ;
Разработке метода повышения эффективности газовых тепловых насосов за счет использования впрыска воды в газовый тракт теплонасосной установки и в выявлении по результатам численных и экспериментальных исследований влияния впрыска воды на характеристики ТНУ;
Разработке метода повышения эффективности газопоршневого привода ТНУ за счет использования добавок водорода в газовое топливо.
Практическое значение результатов работы состоит в:
Использование нового метода проектирования ТНУ с применением ПК «ПОТОК» и рекомендаций, полученных по результатам численных и экспериментальных исследований, проектными организациями для разработки теплонасосных установок с более высокими технико-экономическими характеристиками.
Реализация результатов работы:
С использованием результатов численных и экспериментальных исследований, выполненных в работе, созданы образцы парокомпрессионных теплонасосных установок мощностью 4,5 и 14 кВт, опытно-промышленная установка ПТНУ мощностью 0,7 МВт, опытно-экспериментальная установка газового теплового насоса мощностью 100 кВт, с более высокими технико-эконимическими параметрами.
Результаты работы использованы: НТЦ ОАО «КАМАЗ» (г. Н.Челны), КазаНЦ РАН (г.Казань), ОАО КМПО (г.Казань), СКТБ «Радиооборудование» (г.Калуга), ООО «Камэнергоремонт-Холдинг» (г. Нижнекамск), ОАО «Татэнерго» (г.Казань), НИИ «Химической промышленности» (г.Казань), Московской государственной академией промышленной экологии и т.д.
Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам:
№ РНП 2.2.1.1.9, № 02.516.11.6001 от «07» марта 2007 г., № 4480/17/07100-05 от 29.09.2005 г., №1234/17/07100-06 от 30.03.06 г., №1884/17/07100-07 от 01.02.2007 г., №1985/17/07100-08 от 30.04.08 г. №1984/17/07100-08 от 30.04.08 г.
В учебном процессе: основные результаты диссертационной работы изложены в учебных пособиях, изданных с грифом УМО: «Энергетический комплекс промышленных предприятий», «Энергетический аудит и энергосбережение на предприятиях», «Теплопередача в промышленных аппаратах» для специальности «Энергетика теплотехнологий» и еще в 8 учебно-методических работах.
Апробация работы.
Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на International Heat and Mass Transfer Conference (Surathkal, India, 1995 г.), Всероссийской научной конференции «Тепловые двигатели в XXI веке» (Казань, 1999 г.), Региональном симпозиуме «Проблемы реализации целевых программ энергосбережения» (Казань 2001г.), IV международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования» (Казань, 2003 г.), Четвертой международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем (Вологда, 2004), Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». (Казань, 2004-2008 гг.), Научно-практической конференции «Эффективная энергетика» (Казань, 2004 г.), 12-th Enropean symposium on Jmproved Oil Recovery (Казань, 2003 г.), Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2004-2009 гг.), II Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2005 г.), XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломасообмена в энергетических установках", (Санкт-Петербург, 2007 г.), 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ» (Казань, 2007,2009г.), VIII международном симпозиуме «Энергоэффективность и энергосбережение», (Казань, 2007 г.), Международной научно-технической конференции "Водородная энергетика" (Москва, 2007г.), Международном симпозиуме "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2007г., 2008 г.), Конференции холодильной промышленности «ХолодЭкспо Россия - 2009» (Москва, 2009), Научно-технических семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева (1994-2009 г.).
Личный вклад автора состоит:
в постановке целей и задач диссертационной работы; разработке методики оценки эффективности теплонасосных установок с использованием программного комплекса термогазодинамических расчетов; разработке методов повышения эффективности элементов теплонасосных установок (теплообменных аппаратов, двигателей внутреннего сгорания); разработке методов повышения эффективности газовых тепловых насосов и газотурбинных установок за счет добавок воды и пара в газовый тракт; создании вычислительных и математических моделей ТНУ; разработке экспериментальных стендов и опытно-промышленных образцов элементов ТНУ и теплонасосных установок. Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором при научном консультировании Академика АН РТ, доктора технических наук, профессора Ю.Ф.Гортышова.1
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 96 печатных работ, включая 11 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикаций материалов диссертационных работ, 9 статей в центральных российских изданиях, получено 20 патентов и авторских свидетельства РФ на изобретение и полезные модели, опубликовано 2 монографии, 8 учебно-методических изданий, из них 4 с грифом УМО, 15 тезисов и 31 материал докладов в Российских и зарубежных сборниках, включая 5 зарубежных.
Диссертация выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) в НИИ «ЭнергоЭффективных Технологий КГТУ им. А.Н.Туполева» в период с 1994 по 2010 г.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении
В краткой форме изложены: обоснование актуальности выбранной темы, цель и основные задачи исследования, отмечается научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, перечень решенных в диссертации и выносимых на защиту задач и положений, связанных с повышением эффективности теплонасосных установок и их элементов.
В первой главе
Изложена методика циклового анализа теплонасосных установок парокомпрессионного типа, широко используемая в работах ведущих специалистов в области ТНУ: В.А. Михельсона, Г.Ф. Ундрица, В.А. Зисина, Е.И. Янтовского, Ю.В. Пустовалова, В.С. Мартыновского, А.В. Быкова, В.М. Бродянского, Н.И. Гальперина, И.М. Калниня, Е.Я. Соколова, R. Plank, H.L. Cube, K. Langeheinecke, H. Wagner, R. Turovski. J. Brander, H. Bruckner. Показаны основные параметры, характеризующие эффективность теплонасосных установок, как термодинамическую, так и эксергетическую. Показаны основные трудности применения данной методики, состоящие в использовании данных по рабочим телам ПТНУ, представленных либо в табличной, либо в графической форме.
Рассмотрены перспективы и экологическая целесообразность применения альтернативных рабочих тел в тепловых насосах. Традиционные хладагенты, широко используемые в холодильных установках, оказались под запретом, что привело к активному поиску озонобезопасных и эффективных рабочих тел, а также методов представления теплофизических свойств рабочих тел. Данному направлению исследований посвящено огромное количество работ следующих авторов: В.Е. Алемасова, А.Ф. Дрегалина, С.Н. Богданова, А.В. Быкова, В.С. Бабакина, В.И. Стефанчука, Р.М. Якобса, Л. Дворака, Д. Гордона, Ф. Гамильтона, Т. Макиты, Д. Джонсона, О. Витцеля. Выявлен по итогам анализа перспективности рабочих тел их перечень, рекомендуемый к использованию в ПТНУ. Наибольший интерес проявлен к R134a, R32, R410а, R125. Из природных хладагентов по степени внимания лидируют диоксид углерода, аммиак, метан, этан и пропан. Благодаря дешевизне, экологической чистоте и простоте обслуживания разработчики тепловых насосов проявляют интерес к диоксиду углерода.
Проведен анализ применения парокомпрессионных тепловых насосов с электрическим приводом в России и зарубежом. Рассмотрены работы, посвященные внедрению ТНУ с электрическим приводом в различных сферах производства и коммунального хозяйства следующих авторов: Е.Я Соколова, В.М. Бродянского, В.С. Мартыновского, А.В. Быкова, И.М. Калниня, Е.И. Янтовского, Л.А. Левина, О.Ш. Везиришвили, В.В. Афанасьева, А. Бриганти, И. Стромена, А. Бретсена, Д. Петерсона, Б. Петерсона, Х. Лотца, Д. Бранднера, Г. Хайндриха и т.д.
Отмечено, что решением проблемы нерентабельности ТНУ с электроприводом, может быть применение в тепловых насосах в качестве привода двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе.
Проведен подробный анализ применения парокомпрессионных тепловых насосов с приводом от ДВС по работам: В.М. Селиверстова, Е.И. Янтовского, Л.А. Левина, Ю.В. Пустовалова, Д. Рея, Д. Макмайкла, Б.Р. Максвелла, Д. Дидиона, Р.А. Кеви, Д. Париза, Юнг-Лин Ли, С.З. Ли, В.С. Лин и т.д. Широкое распространение ПТНУ с приводом от ДВС получили в Германии. Здесь, несмотря на повышенную популярность электрических ПТНУ, использование тепловых насосов с приводом от тепловых двигателей становится выгодным в зданиях, в которых отопительная нагрузка составляет более 3000 кВт при количестве часов использования, превышающем 3000 ч/год. По результатам анализа подтверждена перспективность использования газопоршневого привода в ТНУ для российских условий.
Отдельный раздел посвящен газовым теплонасосным установкам и опыту их использования в мировой практике, представленному в работах: В.И. Ляпина, П.А. Ольшевского, Е.Н. Серова, М.П. Верещагина, В.М. Кулакова, А.В Бороненко, Н.Н. Бухарина, М.Г. Дубинского, Н.Н. Кошкина, Д. Брайтона, Т. Кельвина и т.д. К концу 90–х годов сложилась ситуация, когда стало возможным рассматривать газовые (воздушные) холодильные машины как альтернативные по отношению к парокомпрессионным. Последние технические и технологические достижения позволили существенно улучшить показатели воздушных турбохолодильных машин (ВТХМ). В числе таких достижений – создание детандеров и турбодетандеров с высоким КПД, разработка высокоэффективных теплообменных аппаратов, улучшение характеристик рабочего тела и т.д.
Анализ показал, что в случае применения специальных решений эффективность газовых тепловых насосов может быть приближена к парокомпрессионным, особенно в случае больших мощностей.
Для решения проблемы уменьшения трудоемкости расчетов параметров тепловых насосов и нахождения перспективных методик компьютерных расчетов проведен анализ программных комплексов для термогазодинамических расчетов энергетических установок, таких как ОГРА, ГРАД, DVIG, GASTURB, Альбея, Ice Gream Calc по работам следующих авторов: А.П. Тунакова, С.А. Морозова, Э.Б. Маца, М.Р. Мавлютова, А.Б. Голонда, Б.М. Осипова, В.Б. Явкина, Д. Куртске, П. Марквича и т.д. Выявлены достоинства и недостатки существующих программных комплексов, определены направления модернизации программного комплекса «ПОТОК» с целью применения для расчетов ТНУ.
Проведен анализ причин сниженной эффективности теплонасосных установок, определены направления модернизации ТНУ. Выявлены узлы и устройства ТНУ, требующие дальнейшего совершенствования. Определен перечень мероприятий по совершенствованию ТНУ: выбор наиболее эффективного рабочего тела; определение оптимального схемного решения установки; подбор оптимального сочетания элементов теплонасосных установок; повышение эффективности привода компрессорных агрегатов ПТНУ; повышение эффективности отдельных элементов ТНУ.
Во второй главе
Приведено описание программного комплекса «ПОТОК», предназначенного для численного моделирования термогазодинамических процессов для широкого спектра энергетических установок. ПК «ПОТОК» обеспечивает возможности расчета параметров энергетических установок на установившихся и неустановившихся режимах работы и решения других задач, возникающих в процессе их проектирования, доводки и эксплуатации. В рамках данной работы проведена модификация расчетного комплекса «ПОТОК» и адаптация его к расчету энергетических установок.
Общая структура комплекса представлена с помощью приведенной ниже укрупнённой блок-схемы (рис.1). Описана методика применения программного комплекса «ПОТОК» для термогазодинамических расчетов теплонасосных установок.
Приведены основные уравнения, используемые в математических моделях отдельных, входящих в состав ТНУ устройств. Для решения задач, связанных с расчетом характеристик и оптимизацией параметров теплонасосных энергетических установок, расчетный комплекс «ПОТОК» модернизирован, разработан целый ряд новых узлов. Приведены основные элементы модернизации расчетного комплекса «ПОТОК».
Введена в систему возможность учёта реальных термодинамических свойств различных веществ (низкокипящих рабочих тел) и расчёта процессов с двухфазными рабочими телами, разработана система аппроксимации термодинамических свойств индивидуальных веществ в газообразном и жидком состоянии;
Рис.1. Укрупненная блок-схема расчетного комплекса «ПОТОК».
| Современные методы расчета процессов, происходящих в различных энергетических установках (газотурбинных двигателях, тепловых насосах, установках газоожижения, вакуумных установках и т.п.), базируются на использовании термодинамических и теплофизических функций (ТТФ), таких, как удельный объем, энтальпия, энтропия, удельная теплоемкость, теплота парообразования и др. Значения этих функций зависят от типа вещества, используемого установкой в качестве рабочего тела, его фазового состава и от температуры и давления, при которых осуществляются процессы. Рабочее тело установки может состоять из индивидуального вещества или смеси веществ. Вещество может быть однофазным или двухфазным (жидкость и газ).
Изложен метод представления термодинамических и теплофизических функций, позволяющий использовать единый подход по описанию свойств различных индивидуальных веществ и учитывать их реальные свойства. В данной работе в качестве верхней границы давления для такого газа задается  МПа. Удельный объем определяется из уравнения состояния  , где  – удельный объем;  – газовая постоянная;  – температура газа. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении  и удельная энтальпия  зависят только от температуры газа  и обычно аппроксимируются с помощью полиномов. Для аппроксимации теплоёмкости  используется полином седьмой степени:
  ,
|
(1)
|
где  – коэффициенты полинома.
Значение удельной энтальпии, согласно определению, может быть вычислено из уравнения  .
Значение энтропии вычисляется по уравнению  , где функция  зависит только от температуры и  . После их интегрирования могут быть записаны аналогичные выражения.
Значения таких ТТФ функций, как  , ,  ,  , для реальных веществ отличаются от их значений для идеального газа. Значения этих функций для реальных веществ могут быть найдены из соотношений:
    (2)
где  ,  ,  – значение функций для идеального газа;  – давление, при котором газ считается идеальным.
Решения могут быть получены, если известна зависимость  для реальных веществ. Предложено при моделировании энергетических установок расчеты функций производить с использованием аппроксимационных значений поправок к величине ТТФ функций ( ,  ,  ,  ) для идеальных газов данные алгоритмы становятся более эффективными.
Изложена методика, с помощью которой производится аппроксимация поправок, позволяющая отобразить зависимость функции от двух и более переменных. В основу ее положен каркасный метод, заимствованный из вычислительной геометрии, который используется для описания поверхностей. Каркасные линии в приложении к рассматриваемому методу описываются с помощью функций Безье третьего–седьмого порядка, в зависимости от сложности, либо сплайнами.
Расчеты значений функций , , собраны в одну подпрограмму FUNKZI. Расчет прямых функций  ,  ,  производится с учетом аппроксимированных добавок к ТТФ  , , .
При расчёте энергетических установок, работающих с двухфазными рабочими телами, часто необходимы данные о значении удельного объёма, энтальпии, энтропии рабочего тела в жидком состоянии.
|
Рис. 2. Характер зависимости энтальпии реального газа от температуры.
| Величины этих параметров, в общем случае, зависят от давления и температуры. Однако эти зависимости очень слабые и по характеру близки к линейным, что даёт возможность, используя табулированные данные, произвести с высокой точностью аппроксимацию указанных функций в виде зависимостей  ,  ,  .
Разработан ряд процедур, позволяющих считать функции (аналогичные газодинамическим) прямые и обратные для двухфазных потоков. Если известен состав смеси, температура и давление, то функция позволяет найти массовые доли жидкой и газообразной фазы и состав жидкой и газообразной фаз.
Известно, что для рабочего тела, состоящего из нескольких веществ, фазовый состав и состав каждой из фаз полностью определяются двумя параметрами: температурой Т и давлением р рабочего тела. Методика расчёта этих составов базируется на следующих уравнениях:
- Уравнения материального баланса: F = G + L (3);  (3)
где: F =m/μ - общее количество молей смеси, G =mG/μG –количество молей газовой фазы, L= mL/μL –количество молей жидкой фазы, μ, μG, μL –молекулярные веса смеси, газа, жидкости,  = zi/F - относительное число молей i-ого компонента смеси,  = xi/G - относительное число молей i-ого компонента газа,  = yi/L - относительное число молей i-ого компонента жидкости, zi, xi, yi – количество молей i-ого компонента в смеси, в газе, жидкости.
- Уравнение фазового равновесия [4]: = PS i/P, (4)
где PS i–давление насыщенных паров i-ого компонента при температуре Т.
- Балансовые уравнения сохранения массы или количества вещества:
 ,
|
(5)
|
где n – количество компонентов в смеси.
Система уравнений (3-6) позволяет определить состав и количество газовой и жидкой фаз при заданных значениях давления р и температуры Т. После подстановки (3) и (5) в (4) получается:  . (6)
Если обе части уравнения (6) разделить на  , ввести обозначение  и решить уравнение (6) относительно , то выражение запишется:
 .
|
(7)
|
Используя уравнения (4) и (7) можно записать:  , (8)
а из уравнения (5) следует  и соответственно:
 .
|
(9)
|
Если вместо мольных долей с использованием формулы  ,
где  , а  - молекулярный вес газа, ввести массовые доли, то получится следующее уравнение:  , (10)
в котором содержится одна неизвестная величина Е, которая может изменяться в диапазоне 0 Е 1.
Уравнение (11) решается относительно Е численно. Если Е 1, то G = F – смесь состоит только из газа . Если Е 0 , то G =0 – смесь состоит только из жидкости. По известной величине Е находится G=EF и L= F-G. Далее по уравнению (8) определяются мольные доли всех составляющих газовой фазы, а по (7) мольные доли всех составляющих жидкой фазы. Массовое количество каждой составляющей в жидкой и газовой фазе равно: mLi = i L ; mGi = i G. (11)
Суммарный весовой расход жидкой и газовой фаз равны:
 (12)
Если принять, что суммарный расход рабочего тела равен единице, то mL равно степени влажности рабочего тела, а mG – степени его сухости.
Весовые доли всех составляющих в жидкой и газовых фазах соответственно равны:  . (13)
Разработана методика расчета термодинамических свойств смесей одно- и двух- фазных рабочих тел с использованием термодинамических и теплофизических функций:
Расчёт энтальпии по температуре и давлению (подпрограмма T_H); расчёт температуры по заданной энтальпии и давлению (подпрограмма H_T); расчёт энтропии по температуре и давлению (подпрограмма T_S); расчёт температуры по заданной энтропии и давлению (подпрограмма S_T); расчёт давления по заданной энтропии и температуре (подпрограмма P_S_T); расчёт давления по заданной энтропии и энтальпии (подпрограмма P_S_H); расчёт удельного объёма моновещества по температуре и давлению (подпрограмма RASV); расчёт плотности рабочего тела по температуре и давлению (подпрограмма PLOT); расчёт давления по заданной плотности и температуре (подпрограмма P_RO_T); расчёт давления по заданной плотности и энтальпии (подпрограмма P_RO_H), которые позволяют значительно упростить термогазодинамические расчеты для узлов энергетических установок.
Представлены алгоритмы описания узлов энергоустановок с использованием оригинальных методик расчета, их блок схемы и программная реализация: впрыск жидкости (подпрограмма WPRISK); камера сгорания (подпрограмма KAMSG); конденсатор контактный (подпрограмма KONDK); отбор (подпрограмма OTBOR); подвод (подпрограмма PODWOD); теплообменник (подпрограмма TEPLO); дроссель (подпрограмма DROSSEL); расширение потока жидкости (подпрограмма RPG); двигатель (подпрограмма DWIG). Изложены системы уравнений: расчёт статических параметров газового потока (подпрограмма BSP); расчёт равновесного расширения конденсируемого газа (подпрограмма RRAS); расчёт скачка конденсации (подпрограмма SKKON); расчёт расширения потока в конденсационной турбине (подпрограмма RASKT).
Отдельными блоками в программном комплексе ПОТОК оформлены блоки подготовки входных данных и блок описания результатов расчета. Расчетный комплекс позволяет определить основные характеристики отдельных элементов тепловых насосов и системы в целом, рассчитать параметры ТНУ в нерасчетных режимах работы, провести оптимизацию параметров по заданным критериям.
В третьей главе
Показано, что использование диаграмм состояния рабочих тел (фреонов) достаточно трудоемко и приводит к значительным погрешностям при расчете параметров ПТНУ. Рекомендации для проектирования тепловых насосов, разработанные на основе экспериментальных исследований, могут быть использованы со значительными ограничениями, т.к. они получены для вполне определенной комплектации узлов и агрегатов ПТНУ и для конкретных рабочих тел. Для ускорения расчетов характеристик ПТНУ и повышения их точности предложен метод проектирования ПТНУ с использованием программного комплекса «ПОТОК». Определены исходные данные для проектирования ПТНУ, заданы варьируемые параметры установки. Предложен способ ориентировочного выбора рабочего тела для ПТНУ с учетом только его термодинамической эффективности. Выбор рабочего тела оказывает существенное влияние на величину коэффициента трансформации ПТНУ. В общем случае величина коэффициента  определяется уравнением:
 (14)
где QИСП – тепловая мощность, передаваемая от источника к рабочему телу в испарителе; LК - работа, потребляемая компрессором при сжатии 1кг газа.
Т.к. перепад температур в испарителе между источником тепла и рабочим телом незначительный, то может быть сделано допущение, что передаваемая тепловая мощность, отнесённая к одному кг рабочего тела равна теплоте испарения рабочего тела r при его температуре на входе в испаритель. Чаще всего в теплообменных аппаратах разность температур между температурой входа рабочего тела и температурой выхода приёмника тепла (нагреваемой среды) составляет 5-10 К. С учетом выше сказанного уравнение (14) переписывается в следующем виде:
|
(15).
|
Для нахождения величины комплекса δ удобно использовать график, связывающий теплоту испарения рабочего тела с его температурой. Такие зависимости для ряда наиболее широко используемых рабочих тел (R12, R22, R32, R125, R134a, R410a, иСО2) в тепловых насосах получены автором с использованием эмпирических табличных данных.
|
Рис. 3. Принципиальная схема ПТНУ
| Метод проектирования ПТНУ с использованием ПК «ПОТОК» представлен на примере одноступенчатой испарительной установки, принципиальная схема которой приведена на рис.3. Тестовый расчет в программном комплексе «Поток» при заданных параметрах для реальной установки показал, что расчетный коэффициент трансформации ПТНУ составляет φ=2,1, обеспечивая высокую степень сходимости с опытными данными. Входная информация к расчетному комплексу «ПОТОК» при проектировании ПТНУ описывается тремя массивами данных: СХ – массив описания схемы установки; ВА – массив описания параметров для отдельных узлов и установки в целом; ВМН – массив описания закона управления, который фактически формирует систему уравнений, описывающих физические процессы в установке.
|
Рис.4. Расчётная схема ТНУ в программном комплексе ПОТОК.
| Расчётная схема теплонасосной установки в программном комплексе «ПОТОК» приведена на рис.4. Стрелки на схеме показывают направление передачи информации от узла к узлу по контурам. В качестве конденсатора и испарителя при расчёте используется узел «Теплообменник», соответственно ТА1 и ТА2. В массиве ВА (описания параметров для отдельных узлов и установки в целом) задаются следующие данные по узлам ПТНУ. |
