Показатели энергетической эффективности теплового насосаУдельная тепловая нагрузка теплового насоса q тн – это теплота, переданная горячему теплоносителю: – для схем без переохладителя q тн = q к; – для схемы с переохладителем q тн = q к+ q по, где q к, q по – удельная тепловая нагрузка в конденсаторе и переохладителе, кДж/кг или ккал/кг фреона. Для оценки эффективности теплового насоса используются коэффициенты преобразования теплоты m и электроэнергии mэ и удельные затраты электроэнергии Э и первичной энергии ПЭ на единицу полученной теплоты. Коэффициент преобразования теплоты m – это отношение теплоты, переданной горячему теплоносителю к работе, затраченной на сжатие: m =. Коэффициент преобразования теплоты идеального парокомпресионного цикла Карно mид является величиной, обратной термическому КПД цикла Карно: mид = =. Значение mид при разных температурах испарения и конденсации представлено на рис. 10. Из рис. 10 видно, что mид наиболее высок при минимальной разнице между температурами испарения и конденсации, то есть между температурами горячего и холодного теплоносителей. Так как парокомпресионный цикл Карно является обратимым, коэффициент mид определяет максимально возможный коэффициент преобразования теплоты при заданных температурах испарения и конденсации. Коэффициенты m реальных тепловых насосов всегда меньше значения mид.
Рис. 10. Коэффициент преобразования теплоты
Отношение реального и идеального коэффициентов преобразования теплоты называют КПД теплового насоса hт.н: hт.н =. Энергетическую эффективность теплового насоса удобно оценивать с помощью p, h -диаграммы. На этой диаграмме значения q и, q к, q по, l сж соответствуют размеру проекций соответствующих процессов на ось абсцисс (рис. 11). Поэтому коэффициент преобразования теплоты будет равен отношению разностей энтальпий h 2 – h 3 и h 2 – h 1.
Рис. 11. Энергетические потоки в идеальном
Рассмотрим два случая с одинаковой температурой испарения, но разной температурой конденсации (рис. 12).
Рис. 12. Цикл работы теплового насоса в при одинаковой температуре испарения t и и различных температурах конденсации t к1 и t к2
Из рис. 12 видно, что при уменьшении температуры конденсации (смещении вниз линии 2–3) величина l сж будет уменьшаться быстрее, чем величина q к. Поэтому коэффициент преобразования энергии m будет возрастать. Можно сделать вывод, что работа теплового насоса тем эффективнее, чем меньше разность температур испарения и конденсации и чем дальше цикл удаляется от критической точки. Рассмотрим показатели эффективности тепловых насосов с учетом потерь энергии в приводах компрессоров. В качестве привода тепловых насосов в большинстве случаев используются электродвигатели. Эффективность такого насоса оценивается по соотношению потребленной электроэнергии и полученной теплоты. Коэффициент преобразования электроэнергии mэ (в иностранной литературе называемый Coefficient of Performance или COP) – это отношение теплоты, переданной горячему теплоносителю к электроэнергии, подведенной к приводу-электродвигателю, по отношению к коэффициенту m он дополнительно включает механические потери энергии в компрессоре и потери энергии в электродвигателе: mэ = = hэ.мhэ m, где hэ.м – электромеханический КПД компрессора, обычно равен 0,9…0,95; hэ – КПД электродвигателя, равен 0,6…0,95. Удельные затраты электроэнергии на единицу переданной теплоты являются величиной, обратной mэ: Э = =. Для эффективной работы насоса с электроприводом должны выполняться условия mэ > 1 или Э < 1. Если эти величины равны 1, то теплота, вырабатываемая тепловым насосом, становится равным теплоте, полученной при прямом использовании электроэнергии на обогрев, и применение теплового насоса теряет смысл. Вместо электродвигателя в качестве привода компрессора могут использоваться паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и другие машины. Для оценки различных схем теплоснабжения применяется удельные затраты первичной энергии на производство теплоты ПЭ: ПЭ =, где Q топл – энергия топлива, использованного для выработки теплоты; q теп – количество полученной теплоты, для теплового насоса эта величина равна q тн. Чем больше величина ПЭ, тем система теплоснабжения менее эффективна. Для водогрейных котлов ПЭ равняется величине, обратной их КПД. КПД водогрейных котлов составляет не более 0,85, значит величина ПЭ – не менее 1,2. Для тепловых насосов с приводом-электродвигателем электроэнергия вырабатывается при сжигании топлива на электростанциях, поэтому для них ПЭ = = =, или ПЭ = =, где hэ.с – КПД электростанции (»0,4); hпер – КПД систем энергоснабжения (»0,95). Приняв средние значения КПД, получаем ПЭ» 2,6/mэ» 3/m. Поэтому тепловой насос будет экономичней самого эффективного водогрейного котла, имеющего КПД 0,85, при m > 2,5. Если в качестве привода теплового насоса используется дизель, КПД которого hд = 0,4, то ПЭ в этом случае ПЭ = =», то есть применение дизеля выгодней, чем электродвигателя (при сбалансированных ценах на топливо и электроэнергию). Применение тепловых насосов выгодно, если коэффициент ПЭ для них ниже, чем у альтернативных источников теплоснабжения. На рис. 13 представлено соотношение значений m и hэ.с, при которых работа теплового насоса с тепловой точки зрения будет выгодней, чем высокоэффективной котельной с hкот = 0,85.
Рис. 13. Экономичность работы теплого насоса по сравнению с работой котельной установки (hпер = 0,95; hэ.м = 0,9; hэ = 0,9) Наличие промежуточного теплообменника (см. рис. 8) на показатели энергетической эффективности не влияет, так как теплота передается регенеративно внутри цикла и за пределы теплового насоса не выходит. Но в расчете необходимо учитывать, что процесс сжатия в компрессоре начинается с точки 1а, а не 1. Таким образом для схемы с промежуточным теплообменником l сж = h 2 – h 1 а ; W =; m = =. При наличии переохладителя (см. рис. 9) фреон отдает теплоту горячему теплоносителю в конденсаторе и переохладителе, таким образом l сж = h 2 – h 1 а ; W =; m = =;mэ =;Э =.
|
