НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного

Харлампіді Дионіс Харлампійович

УДК. 621.577

РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ дослідження СПЕцІАЛІЗОВАНИХ

ТЕПЛОНАСОСНИХ УСТАНОВОК

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного Національної Академії Наук України, м. Харків.

Науковий керівник:

·

Офіційні опоненти:

·

·

Провідна установа:

·

Захист відбудеться “28” грудня 2000 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дмитра Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дмитра Пожарського. 2/10.

Автореферат розісланий “28” листопада 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованоі ради

кандидат технічних наук Ковальський О.Е.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Устаткування, яке розробляється та створюється в Україні, для виконання функцій теплонасосних установок (ТНУ), являє собою, як правило, звичайні серійні холодильні машини, конструктивні та режимні характеристики яких не повністю відповідають вимогам, що пред'являються до спеціалізованих термоперетворювачів, якими є ТНУ. Це істотно знижує ефект перетворення теплоти низького потенціалу.

У зв'язку з цим тема роботи, присвяченої розрахунково-експериментальному дослідженню спеціалізованих теплонасосних установок і підвищенню ефективності їх використання в системах автономного теплопостачання, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами визначається тим, що вона є складовою частиною пошукової, бюджетної теми ІПМаш НАН України "Розробка наукових основ ресурсозберігаючої та екологічно безпечної технології виробництва теплоти на базі теплонасосних установок для автономних об'єктів житлово-комунального сектора". № Д.Р. 0197U012288. Автором створено експериментальну ТНУ типу “повітря-вода”, а також розроблено програму лабораторних випробувань та обробки результатів дослідів.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи складається в створенні на основі розрахунково-експериментальних досліджень науково-технічної бази для проектування спеціалізованих ТНУ з обгрунтуванням їх раціональних режимно-конструктивних характеристик, в різних умовах використання низькопотенційних джерел теплоти.

Задачами дослідження, зумовленими метою роботи, є:

·

· термодинамічний аналіз циклу ТНУ;

· розробка експериментальної установки і методики проведення дослідів;

· експериментальне визначення характеристик ТНУ, а також дослідження роботи конденсаторів різного типу при варіюючих схемах нагріву води;

· розробка інженерної методики розрахунку ТНУ.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є теплонасосная установка, яка призначена для децентралізованого теплопостачання.

Предмет дослідження. Процеси термодинаміки, теплопередачі та гідродинаміки в ТНУ при різних схемних рішеннях, а також особливості роботи ТНУ при використанні різних низькопотенційних джерел теплоти.

Методи дослідження. У роботі використані розрахункова методика визначення параметрів ТНУ, що враховує вплив процесів термодинаміки, теплопередачі та гідродинаміки на основні показники ефективності ТНУ, а також метод фізичного моделювання, який дає можливість перевірки працездатності методики розрахункового дослідження, що пропонується.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено методику розрахункового дослідження процесів в ТНУ, яка дозволяє прогнозувати зміну характеристик термоперетворювача в залежності від температур низькопотенційного джерела і параметрів теплоносія системи теплопостачання. При цьому вперше врахована неізобарність процесів конденсації та випаровування робочої речовини.

2. Вперше запропоноване схемне рішення, що забезпечує підвищення техніко-економічних характеристик ТНУ за рахунок управління стратифікацією температури води в баку-конденсаторі.

3. Розроблено уточнену інженерну методику конструкторського і перевірочного розрахунків ТНУ, яка базується на позонному розрахунку випарника та конденсатора.

4. Вперше, внаслідок аналізу автором сезонних коливань температур грунту на різних його глибинах, встановлена оптимальна глибина закладання грунтового теплообмінника і запропонована методика його розрахунку при використанні грунту як низькопотенційного джерела теплоти.

Практичне значення роботи.

1. Створено розрахунково-теоретичну базу для інженерного проектування спеціалізованих ТНУ;

2. Розроблено практичні рекомендації щодо використання різних варіантів ТНУ в залежності від умов теплоспоживання і характеру низькопотенційного джерела теплоти;

3. Запропоновано конструкцію бака-конденсатора, яка дозволяє підвищити ефективність водонагрівальної ТНУ на 5ё10 %.

Впровадження здійснено:

·

· при підготуванні практичних робіт у рамках учбового курсу “Кондиціонери та холодильна техніка” на кафедрі аерокосмічної теплотехніки Державного космічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”;

· в НВП “Інсолар” ТОВ (м. Харків) при проектуванні перспективних джерел місцевого теплопостачання.

Особистий внесок здобувача. Поставлення задачі про розподіл температур грунту в залежності від сезонних коливань температури зовнішнього повітря та алгоритм рішення цієї задачі, яка представлена в роботі [2].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися на:

·

· Науково-технічній конференції Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури. - Харків, 1999 р.

Публікації. Матеріали дисертації відображені та опубліковані в п'ятьох наукових статтях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних літературних джерел із 145 найменувань, 3 додатків, 44 рисунків, 5 таблиць, 135 сторінок основного тексту, всього 180 сторінок.

Основний ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі роботи даний аналітичний огляд проблеми, який заснований на вивченні інформації, що міститься в статтях і монографіях вітчизняних і зарубіжних фахівців. Основний зміст огляду присвячений методам термодинамічного аналізу циклів ТНУ. Розглянутий вплив властивостей робочих речовин на основні характеристики ТНУ. Представлені методи розрахунку процесів теплообміну у випарнику і конденсаторі ТНУ. Наведені деякі техніко-економічні аспекти розробки та впровадження ТНУ, зокрема акцентується увага на тому факті, що однією з основних характеристик, яка визначає вартісні показники ТНУ, є значення мінімального температурного натиску у випарнику та конденсаторі. У цьому ж розділі наведено аналіз основних схемних рішень для ТНУ, практично реалізованих і що знаходяться в експлуатації.

Проведений огляд літератури дозволив сформулювати мету дисертаційної роботи і постановку задачі дослідження.

Другий розділ роботи присвячений розробці методики розрахункового дослідження процесів термодинаміки і теплообміну в ТНУ.

Як об'єкт дослідження розглядається одноступінчата ТНУ з поршневим компресором, працююча на фреоні з перегрівом пари перед компресором безпосередньо у випарнику й переохолодженням конденсату фреона безпосередньо в конденсаторі.

Аналіз відомих методів дослідження теплоенергетичних і теплотехнічних об'єктів дозволив прийняти стосовно до ТНУ блоково-модульний підхід.

Незалежними (і в загальному випадку варіюючими) характеристиками теплонасосного циклу вважаються: необхідна теплова потужність ТНУ QT, температура нагрітої води на виході з конденсатора tВ2, температура низькопотенційного джерела теплоти tНП. Якщо додатково до вказаних початкових даних задати рекомендовані в літературі мінімальні температурні натиски в конденсаторі та випарнику DtK і Dt0, можна сформувати цикл ТНУ в 1-м наближенні, який наведено на рис. 1 пунктиром.

Рис. 1. Дійсний цикл ТНУ.

Стан робочої речовини в кінці ізоенропного стиснення (1-2') в компресорі встановлюється таким чином: використовуючи базу даних термодинамічних і теплофізичних властивостей робочої речовини, при відомому значенні температури конденсації tK знаходиться відповідна цієї температури величина тиску PK. Це дозволяє методом послідовних наближень визначити ентальпію i2' в кінці стиснення. Цикл наближень завершується, коли із заданою точністю забезпечується умова рівності ентропії S2'= S1.

Дійсний стан робочої речовини в точці 2д'визначається як

i2д = i1 + (i'2 – i1) / зi , (1)

де hi - індикаторний к. п. д. компресора. Він дорівнюється:

зi = 0,70 + 0,0732р – 0,0115 р2 + 4,21·10-4·р3 , (2)

де p - міра стиснення в компресорі.

Оскільки в процесі дроселювання (5-6) додержується умова i6 = i5, то при вже відомому тиску P6 процесу випаровування (6-7) необхідна в подальших розрахунках міра сухості пари x6 визначається як

x6 = (i6 - i'6) / r6, (3)

де i6' – ентальпія киплячої рідини при тиску P6 = P7.

Наявність гідравлічних опорів в конденсаторі та випарнику приводить до неізобарності процесів в цих елементах ТНУ. Отже, кількість теплоти в процесах (3-4) і (6-7) в суворій постановці не може визначатися, як відповідна різниця ентальпій (i3-i4) і (i7-i6). Тому нами пропонується засіб обліку вказаної особливості.

З урахуванням обумовлених втрат тиску в конденсаторі та випарнику дійсний цикл ТНУ другого наближення включає в себе процеси (1'-2д'- 3 - 4'- 5 - 6 -7'-1') (див. рис. 1.).

Для обліку неізобарності використовується відома властивість Т - S діаграми, яка полягає в тому, що площа під лінією процесу є у відомому масштабі кількість підведеної або відведеної теплоти.

Тоді теплота qK, відведена в конденсаторі ТНУ в дійсному процесі конденсації (3 - 4), еквівалентна площі фігури (3 - 4 - b - e - 3). Згідно з рис.1 в цьому випадку слідує, що

qк = (T3 – 0,5ДT'к)·(S3 - S'4). (4)

При відомому P4 (в циклі 1-ГО наближення) і знайденому DPK із гідродинамічного розрахунку конденсатора, визначається P4'= P4 - DPK. Залучаючи базу даних термодинамічних властивостей робочої речовини, по P4 і P4' можна встановити температури T4, T4', DTK' , а також ентальпію i4'.

Використовуючи аналогічний підхід до дійсного процесу випаровування (6 - 7) можна знайти кількість теплоти, отриману робочою речовиною у випарнику

q0 = (T6 – 0,5ДT'4)·(S'7 – S6). (5)

Користуючись базою даних термодинамічних властивостей робочої речовини на верхній прикордонній кривій х =1, можна визначити всі необхідні параметри в точці 7'. Аналогічно з циклом першого наближення параметризується процес ізобарного перегріву пари 7'-1, а використання рівнянь (1) і (2) дозволяє знайти стан робочої речовини в точці 2д'.

Підсумовуючи кількість теплоти, що віддана в процесах (2-3, 3-4) і (4-5) з урахуванням того, що питома індикаторна робота стиснення робочої речовини в компресорі li = i2Д'- i1', отримаємо співвідношення для індикаторного коефіцієнта перетворення ТНУ

(6)

Дійсне значення коефіцієнта перетворення дорівнюється

мд = мi·зм·зэл, (7)

де hМ і hЭЛ - механічний та електричний КПД компресора та приводу.

При заданій тепловій потужності ТНУ QT, масова витрата робочої речовини в циклі складає

Mp = Qт / qк. (8)

Тоді об'ємна теплопродуктивність ТНУ, необхідна для підбору і розрахунку компресора, дорівнюється

qv = Qт/Mp·v'1 , (9)

де v1' - питомий об'єм робочої речовини в точці 1'.

Таким чином, склад рівнянь даного блоку розрахунку дозволяє визначити в 1-му наближенні параметри в характерних точках циклу, роботу, що затрачується на привід компресора, питому об'ємну теплопродуктивність та коефіцієнт перетворення ТНУ.

Як видно, в рівняння (4), (5), (6) входять величини DTK' і DT0', пропорційні втратам тиску DРК і DР0 при конденсації та випаровуванні. визначення цих величин, які пов'язані з теплогідравлічним режимом роботи вказаних блоків і конструктивним рішенням для поверхонь теплообміну, вимагає введення в методику розрахунку ТНУ додаткових рівнянь теплообміну та гідродинаміки.

В основу прийнятої методики розрахунку теплообміну встановлене послідовне позонне визначення параметрів потоку хладагента. Розглядаються зони, що характеризуються різними значеннями коефіцієнтів теплопередачі. Так, для випарника це зони випаровування і перегріву. Для конденсатора можна виділити три зони: I-зняття перегріву пари, II-конденсація, III-переохолодження рідкого хладагента. Методика визначення коефіцієнтів теплопередачи для кожної зони залежить від конструктивних особливостей конкретного теплообмінного апарату.

Так, у разі випаровування і конденсації хладагента всередині труб має місце помітна зміна паровміщення та пов'язана з цим зміна гідродинамічного режиму течії двофазного потоку вздовж елемента, що розглядається. Тому, для цього випадку запропоновано метод розрахунку теплообміну, заснований на визначенні локальних значень a, відповідних певному режиму течії потоку хладагента.

Для розрахунку теплообміну при кипінні фреона в горизонтальних трубах нами використані наступні основні залежності:

для розшарованого і хвильового режимів

(10)

для снарядного режиму

(11)

для кільцевого режиму

(12)

де aw - коефіцієнт тепловіддачі при турбулентній течії однофазної рідини;

aрк - коефіцієнт тепловіддачі при розвиненому кипінні фреонів.

Для розрахунку теплообміну при внутритрубній конденсації, використовується рівняння Е.П. Ананьєва, м.Н. Кружіліна і Л.0.Бойко

(13)

Ідентифікація режиму течії проводиться через величину паровміщення x. Знаючи співвідношення для ентальпії вологої насиченої пари i=i'+ rx, можна визначити величину х в кінці j-ої дільниці трубки

(14)

де Qi - кількість теплоти, отримане (або віддане) j-ою дільницею.

Оскільки початкова величина паровміщення x6 (для випарника) відома з (3), а для конденсатора x3 = 1, то, використовуючи (14), можна визначити зміну х вздовж довжини трубного елемента.

Для зон, де теплопередача відбувається між однофазними середами, коефіцієнти тепловіддачі з боку теплоносія та зі сторони хладагента визначається по відомих рівняннях М.о. Міхеєва, з подальшим визначенням коефіцієнту теплопередачі.

У зв'язку з тим, що локальні значення a вздовж трубних елементів теплообмінних апаратів зміняються, це призводить до непостійності коефіцієнта теплопередачі, що природно, виключає використання співвідношення для середньологарифмічного температурного натиску при розрахунку зон випаровування та конденсації. Тому виявляється доцільним уточнення існуючої методики.

З рівняння теплового балансу, записаного для j-ої дільниці випарника, слідує

MНП (tНПj – tНП(j+1)) = Mp(ij – i(j-1)). (15)

Оскільки в процесі ітерацій розподіл значень ij вздовж поверхні стає відомим, з (15) можна знайти tНП(j+1).

Локальний температурний натиск знаходиться у вигляді

?tj = (tЇНПj – t6) , де tЇНПj = 0,5 (tНПj + tНП(j+1)) . (16)

Заключним етапом розрахунку процесів, що відбуваються у випарнику та конденсаторі, є використання рівнянь, які визначають гідравлічний опір цих елементів.

Тут, як і в разі розрахунку процесів теплообміну, вся довжина трубного елемента ділиться на відповідні зони. При цьому величина втрат тиску на подолання гідравлічних опорів визначається як для двофазного, так і однофазного потоків.

Після визначення гідравлічних опорів випарника й конденсатора необхідно врахувати неізобарність процесів (6-7) і (3-4), використовуючи для цього співвідношення (4) і (5).

Третій розділ присвячений експериментальному дослідженню та аналізу фізичних процесів в ТНУ.

Схема експериментальної установки наведена на рис. 2.

У схему входять: компресор 1 марки ВС-500; бак-конденсатор 2, виконаний у вигляді циліндричної місткості об'ємом 80 л із зовнішньою теплоізоляцією (всередині місткості розташований конденсатор змієвикового типу); ресивер 3; фільтр-осушувач 4; регулюючий вентиль 5 типу ТРВ-2м, відцентровий вентилятор 6 і випарник 7, що являє собою ребристо-трубний теплообмінник змієвикового типу.

Основними величинами, що визначались в процесі експерименту, були теплова потужність ТНУ QT , теплова потужність низькопотенційного джерела QHT, потужність приводу компресора NKM та коефіцієнт перетворення m.

Результати визначення похибок експерименту і розрахунку основних величин приведені в табл. 1.

Таблиця 1.

Результати оцінки похибок.

Величина QT QHT NKM m

Відносна похибка, % 1.0 1.05 0.8 1.2

Перший етап експерименталь-ного дослідження ТНУ торкався ємкісного режиму нагріву води. У результаті склалася можливість побудувати графіки зміни QT і m в залежності від часу нагріву води в баку, яка надана на рис. 3.

Узагальнені залежності QT і m наведені на рис. 4 і 5. Встановлено, що найбільш істотними по мірі впливу на QT і m є кінцева температура води tB2 та температура низькопотенційного джерела tНП.

Другий етап експериментального дослідження ТНУ торкався проточного режиму нагріву води. У результаті цього дослідження отримані узагальнені залежності QT і m для цього режиму, аналогічні наведеним на рис. 4 - 5.

Рис. 4. Залежність QT при різних tНП (1–tНП = 22°С; 2–16°С; 3–10°С). Рис. 5. Залежність m при різних tНП, (визначення ті ж, що на рис.4).

Четвертий розділ роботи присвячений наступним основним питанням: встановленню працездатності запропонованої методики розрахунку; розробці методики розрахунку ТНУ при роботі в ємкісному режимі нагріву води; розробці нового конструктивного рішення бака-конденсатора, що підвищує ефективність ТНУ; питанням використання грунту як низькопотенційного джерела теплоти.

Як контрольні параметри, за якими перевірялося узгодження розрахункової методики з результатами експерименту, були використані кінцеві температури низькопотенційного теплоносія та температура гарячої води на виході з конденсатора, тобто використовувалася "класична" схема перевірочного розрахунку з урахуванням усіх уточнень запропонованої в другому розділі розрахункової методики. При цьому, в розрахунок закладалися ті значення tК і t0, які мали місце в експерименті. Зіставлення розрахункових (tНП2)р і (tВ2)р з експериментальними та їх похибки наведені в табл. 2.

Таблиця 2.

Зіставлення розрахункових й експериментальних

значень tНП2 і tВ2 та їх похибок dtНП2 і dtВ2.

№ п/п tНП2 (tНП2)р tВ2 (tВ2)р dtНП2 dtВ2

1 4 4,32 44 38,7 – 0,08 0,12

2 5 4,70 40 36,0 – 0,06 0,10

3 8 8,40 50 56,5 – 0,05 0,13

4 18 16,2 47 40,4 0,10 0,14

Результати порівняння розрахунку та експерименту наведені на рис. 6 – 7.

Рис. 6. Залежність QT від tВ2; - - - - експеримент; –––– розрахунок. 1 – tНП = 22°С; 2 – tНП = 10°С.

Рис. 7. Залежність m від tВ2, (визначення ті ж, що і на рис. 5).

Внаслідок експериментального дослідження при ємкісному режимі нагріву води в баку-конденсаторі встановлений вплив стратифікації температури води за висотою баку на значення коефіцієнта перетворення m.

Характер стратифікації температури води визначає теплообмін в баку-конденсаторі, отже температуру конденсації ТНУ, а також пов'язану з нею потужність, яка витрачається на привод компресора. Тому, якщо певними конструктивними змінами знизити середню температуру в баку, то це призведе до зниження необхідної потужності приводу, отже до підвищення ефективності ТНУ.

Вважаючи, що основну роль в зміні характеру стратифікації температури води в баку грає конвективний теплообмін, було прийняте рішення розділити бак по висоті перфорованими перегородками й перевірити ефект.

На рис. 8 наведена залежність міри зниження середньої температури води в баку-конденсаторі DtВ від кількості перегородок N у ньому.

Рис. 8. Залежність міри зниження середньої температури води в баку-конденсаторі DtВ від кількості перегородок N.

На рис. 9 наведені розподіли температури води в баку-конденсаторі по висоті (Н) при проточному режимі його роботи. Крива 1 відноситься до експерименту, виконаного при відсутності перегородок, а крива 2 - при установці 4-х перегородок, також показана міра зниження середньої температури DtВ.

Експериментально встановлено, що запропоноване конструктивне рішення для бака-конденсатора дозволяє в проточному режимі підвищити m на 1,8 - 2,5 %, а зіставлення результатів дослідження проточного режиму роботи бака-конденсатора з перегородками з чисто ємкісним (при інших рівних умовах) дозволяє добитися підвищення m на 5-10 %.

У цьому розділі також запропонована методика розрахунку ТНУ, яка базується на узагальненні експериментальних даних, отриманих у роботі при дослідженні ємкісного режиму нагріву води.

Так, для параметризації термодинамічного циклу ТНУ пропонується кореляційна залежність, що встановлює зв'язок тиску конденсації РК (кПа) та тиску випаровування Р0 (кПа) з (tВ2)К і tНП.

(17)

(18)

де (tВ2)К – досягнута в кінці нагріву температура води. Залежність вірогідна для діапазону начальних температур води tВ1 = 15 ё 25 °С.

Заключна частина роботи стосується рішення задачі про використання грунту як низькопотенційного джерела теплоти.

Для рішення цієї задачі використовувалося рівняння нестаціонарної теплопровідності в одномірній постановці

(19)

з граничній умовою поверхні грунту

(20)

де А - амплітуда коливань температури поверхні.

При умові, що функція t(z, t) обмежена для всіх значень z і t, умову (20) можна представити у вигляді

(21)

З лінійності рівняння теплопровідності слідує, що в полі комплексних чисел, дійсна та уявна частини рішення рівняння кожна нарізно задовольняє одному і тому ж рівнянню. Тому, якщо знайдене рішення задовольняє умові (21), то його дійсна частина задовольняє умові, t(0,t) = Aejwt, а уявна t(0,t) = Asin(wt).

Таким чином, рішення рівняння (20) шукаємо у вигляді:

(22)

У результаті розподіл температури грунту по глибині буде підкорятися співвідношенню:

(23)

На рис. 10 наведено змінення температури повітря та температури грунту на різних глибинах.

Рис. 10. Характеристики різних джерел теплоти. 1 – температура повітря, 2 – температура грунту на глибині 1 м, 3 – температура грунту на глибині 2 м, 4 – температура грунту на глибині 3 м.

Як видно з графіків, максимум температури грунту, наприклад, на глибині 3 м спостерігається на 4 - 6 місяців пізніше ніж максимальна температура повітря, що відповідає періоду максимального теплоспоживання. Також можна укласти і те, що протягом декількох окремих місяців температуру грунту на певній глибині можна прийняти постійною, рівною деякому середньому значенню. Ця обставина дозволяє розглядати процес теплообміну між грунтом і робочою речовиною у випарнику, як стаціонарний.

Необхідна поверхня випарника, в загальному випадку, визначається з рівняння теплопередачі. Однак, центральною величиною в цьому розрахунку є термічний опір теплопровідності від грунту до зовнішньої поверхні трубного елемента випарника. Тому нами була використана формула Форхгеймера для вказаного опору

(24)

де h – глибина закладання стрижня трубного елемента.

При заданих тепловій потужності ТНУ QT та коефіцієнті перетворення m (у 1-му наближенні) знаходиться теплова потужність низькопотенційного джерела QНП

(25)

і далі, із залученням рівнянь для визначення коефіцієнта тепловіддачі до робочій речовині, що випаровується, знаходиться необхідна поверхня. Для призначення мінімального температурного натиску між грунтом і робочою речовиною, що випаровується, залучаються результати розрахунку теплопровідності грунту.

Основні результати та висновки

У дисертації наведене нове вирішення наукової задачі, що виявляється в дослідженні процесів у ТНУ з використанням уточненої розрахункової методики визначення характеристик циклу ТНУ, а також методу фізичного моделювання та створення на підставі цього науково-технічної бази щодо проектування спеціалізованих ТНУ.

Головні наукові і практичні результати роботи:

1. Розроблено методику розрахункового дослідження процесів в ТНУ із застосуванням уточненої методики позонного розрахунку теплообміну у випарнику та конденсаторі.

2. Сформована система рівнянь, що відображає взаємопов'язаний вплив процесів термодинаміки і теплопередачі на основні показники ефективності ТНУ, в якій вперше урахована неізобарність процесів конденсації та випаровування робочої речовини.

3. Створена експериментальна установка, яка дозволила провести цикл вимірювань в широкому діапазоні зміни режимних параметрів ТНУ, завдяки чому перевірена працездатність запропонованої методики розрахункового дослідження та ефективність нового конструктивного рішення для бака-конденсатора.

4. На підставі загальноприйнятої теорії похибок встановлено, що похибки при експериментальному визначенні потужності приводу компресора, теплової потужності та коефіцієнта перетворення ТНУ не виходять за допустимі межі, які встановлені в практиці дослідження установок вказаного типу.

5. Внаслідок експериментів, виконаних стосовно до проточного та ємкісного режиму роботи ТНУ, встановлені залежності її теплової потужності та коефіцієнта перетворення від температури і витрати низькопотенційного теплоносія, а також від температури нагрітої води, яка подається споживачу.

6. Запропонована методика перевірки достовірності результатів розрахункового дослідження дозволила встановити, що максимальне розузгодження виміряних в експерименті та розрахованих температур низькопотенційного теплоносія на виході з випарника і температури гарячої води на виході з конденсатора не перевищує 14 %.

7. Дослідження, проведені на експериментальному стенді, дозволили підтвердити ефективність застосування багатосекційного бака-конденсатора з управляємою стратифікацією температури води по його висоті.

8. Внаслідок аналізу автором сезонних коливань температур грунту на різних його глибинах вперше встановлена оптимальна глибина закладання грунтового теплообмінника при використанні грунту як низькопотенційного джерела теплоти для ТНУ і запропонована методика його розрахунку.

Основний зміст дисертації опубліковано у працях:

1. Харлампиди Д.Х. Экспериментальная теплонасосная установка “воздух-вода” на базе холодильного компресора ВС – 500 // Науковий вісник будівництва. – Харків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ.–1998.–Вип.3.–С.81-87.

2. Харлампиди Д.Х. Баранов А.Н. К вопросу использования грунта в качестве низкопотенциального источника теплоты для тепловых насосов //Науковий вісник будівництва. – Харків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ.–1999.–Вип.5.–С.68-72

3. Харлампиди Д.Х. Повышение эффективности теплонасосных установок за счет изменения режима работы и конструкции конденсатора //Науковий вісник будівництва. – Харків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ.–1999.–Вип.6.–С.171-177.

4. Харлампиди Д.Х. Применение теплонасосных установок в объектах жилищно-комунального назначения //Науковий вісник будівництва – Харків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ.–1999.–Вип.7.–С.136-140.

5. Харлампиди Д.Х. Методика расчета водогрейной теплонасосной установки //Науковий вісник будівництва. – Харків:ХДТУБА, ХОТВ АБУ.–2000.–Вип.10.–С.75-82.

Анотація

Харлампіді Д. Х. Розрахунково-експериментальне дослідження спеціалізо-ваних теплонасосных установок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.14.06 технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, Харків, 2000 р.

Робота присвячена рішенню задачі розрахункового дослідження взаємопов'язаних процесів термодинаміки, теплообміну та гідродинаміки, які в своїй сукупності створюють теоретичну базу щодо проектування спеціалізованих ТНУ для цілей теплопостачання при використанні різних низькопотенційних джерел теплоти. Проведене експериментальне дослідження роботи конденсаторів при різних схемах нагріву води і запропоновано нове схемне рішення для бака-конденсатора, яке підвищує ефективність ТНУ за рахунок управління стратифікацією температури води в баку-коденсаторі. Розроблено методику розрахунку теплообміну в системі “грунт-випарник” в якій урахована динаміка змінення температури грунту на різних глибинах протягом року. Пряме зіставлення результатів експериментального та розрахункового дослідження підтвердило працездатність запропонованої методики розрахунку.

Ключові слова: теплонасосна установка, процеси теплообміну, термодинаміки та гідродинаміки, стратифікація, бак-конденсатор, грунт, теплообмінник.

АННОТАЦИЯ

Харлампиди Д. Х. Расчетно-экспериментальное исследование специализи-рованных теплонасосных установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2000 г.

Диссертация посвящена расчетно-экспериментальному исследованию специализированных теплонасосных установок и повышению эффективности их использования в системах децентрализованного теплоснабжения.

Создана расчетная база для проектирования специализированных ТНУ на основании уточненной методики определения основных характеристик цикла ТНУ. К числу уточнений относятся:

·

· использование в методике расчета экономически обоснованных значений минимальных температурных напоров для конденсатора и испарителя ТНУ;

· позонный расчет процессов теплообмена в испарителе и конденсаторе, который необходим в связи с существенным изменением паросодержания;

· использование метода последовательных приближений при параметризации действительного цикла ТНУ с учетом взаимосвязи процессов термодинамики, теплообмена и гидродинамики в основных блоках ТНУ;

· уточнение взаимосвязи в течение времени года температуры поверхности грунта с температурой грунта на глубине заложения испарителя ТНУ.

Разработанная методика позволяет проводить как конструкторский расчет при создании специализированной ТНУ, так и поверочный, при использовании существующей холодильной машины для работы в режиме ТНУ.

Работоспособность предложенной методики расчетного исследования процессов теплообмена, термодинамики и гидродинамики подтверждена хорошим согласованием результатов расчета и эксперимента.

Созданы базы данных по теплофизическким характеристикам рабочего вещества, а также базы данных по гидродинамическим режимам течения в процессе внутритрубного кипения.

Выполнено экспериментальное исследование ТНУ в емкостном и проточном режимах работы бака-конденсатора. При этом получены опытные зависимости по динамике изменения во времени основных режимно-параметрических характеристик при емкостном режиме в функции температур воды, низкопотенциального источника и расхода теплоносителя через поверхность испарителя. Дан анализ физических особенностей процессов в ТНУ, обусловивших соответствующие зависимости в эксперименте.

Разработана методика проведения испытаний ТНУ, включающая реализацию измерений, форму обработки опытных данных и способы определения тепловых потерь баком – конденсатором в проточном и емкостном режимах нагрева воды.

Проведены экспериментальные исследования влияния стратификации температуры воды по высоте бака-конденсатора на эффективность ТНУ. Установлено, что характер стратификации температуры воды по высоте бака-конденсатора определяет теплообмен в нем и следовательно температуру конденсации в ТНУ, а также связанную с этим затраченную мощность в компрессоре. В результате этого предложена конструкция бака-конденсатора ТНУ с управляемой стратификацией температуры воды по высоте, которая позволяет повысить эффективность водогрейной ТНУ на 5-10%.

Разработана методика проектирования ТНУ применительно к емкостной схеме нагрева воды в баке-конденсаторе.

Ключевые слова: теплонасосная установка, процессы теплообмена, термодинамики и гидродинамики, стратификация, бак-конденсатор, грунт, теплообменник.

SUMMARY

Kharlampidi D.K. Calculating and experimental investigation of specialized heat-pump installation.

This thesis is a manuscript being submitted for a Candidate of Sciences Degree (Engineering) in the speciality 05.14.06 – engineering thermal physics and industrial heat-and-power engineering. Institute for problems in Machinary Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2000.

Complex calculating investigation of processes of thermodynamics, heat exchange and hydrodynamics that creates the theoretical basis for design of specialized heat-pump installation for heat supplying under using the different low potential heat sources has been presented. The experimental investigation of different types of condenser under varied schemes of water heating has been conducted. New scheme solution of tank-condenser has been proposed. It increases the efficiency of heat-pump installation due to managing of stratification of water temperature in tank-condenser. Direct comparison of calculation and experimental results shows the efficiency of calculating method proposed.

Key words. Heat-pump installation, processes of heat exchange, thermodynamics and hydrodynamics, stratification, tank-condenser, heat-exchanger, soil.

Підп. до дрку 13.11.2000 р. Формат 60ґ84 1\16. Папір офісний.

Друк – ризографія. Умовн.друк. арк. 1,0. Умовн. Фарб 1,0.

Облік.–вид. арк. 1,0. Тираж 100 прим. Зам.№ 79

Надруковано ЧПКФ “Оптик-контакт”

(61002, Харків, вул. Сумська, 44/2)

_________________________________________________________________________________