База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии (стр. 5 из 20)

Классификация тепловых насосов

В настоящее время создано и эксплуатируется большое число тепловых насосных установок, отличающихся по тепловым схемам, рабочим телам и по используемому оборудованию. По обозначению различных классов установок, в известных нам литературных источниках, нет единого установившегося мнения, встречаются различные обозначения и термины.

В связи с этим важное значение приобретает классификация установок, позволяющая проводить рассмотрение их свойств в соответствии с той или иной группой. Все типы тепловых насосных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака.

Классификацию теплонасосных установок следует осуществлять прежде всего по циклам их работы. Можно выделить несколько основных типов тепловых насосов:

- воздушно-компрессорные тепловые насосы;
- тепловые насосы с механической компрессией пара (парокомпрессионный цикл);
- абсорбционные тепловые насосы;
- тепловые насосы основанные на использовании эффекта Ранка;
- тепловые насосы основанные на использовании двойного цикла Ренкина;
- тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга;
- тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона;
- термоэлектрические тепловые насосы.
- обращённый топливный элемент;
- тепловые насосы с использованием теплоты плавления;
- тепловые насосы с использованием механохимического эффекта;
- тепловые насосы с использованием магнетокалорического эффекта.

Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: 1) открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду; 2) замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Различают одно- и двухступенчатые и каскадные ТНУ, а также ТНУ с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением.

По назначению: стационарные и передвижные, для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта и утилизации сбросного тепла.

По производительности: крупные, средние, мелкие.

По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

По режиму работы: стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.

По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов.

По виду потребляемой энергии: с приводом от электродвигателя или газовой турбины или от газовой турбины, работающие на вторичных энергоресурсах и др.

Структура математических моделей произвольных схем ТНУ в системе DVIGT

Достижения компьютерной технологии анализа и синтеза сложных технических объектов обуславливают потребность разработки универсальных средств формирования математических моделей ТНУ, гибко реализующих любые возможные схемы и программы регулирования. К основным требованием для генерирования таких моделей относятся:

·

• обеспечение возможности формализованного как структурного, так и параметрического анализа работы ТНУ;
• отображение физической сущности формирования модели при реализации произвольной схемы;
• базирование предметной области на единых универсальных исходных составляющих модулях;
• общность и доступность средств формирования моделей;
• устойчивость вычислительного процесса с возможностью эффективного управления точностью;
• развитые средства диагностики;
• возможность совместной работы с САПР как верхнего, так и нижнего уровней;
• простота и доступность диалоговых средств с элементами "принудительного" диалога.

В данном разделе представлено описание универсальной диалоговой системы формирования математической модели ТНУ произвольных схем DVIGT, обеспечивающей параметрический и структурный анализ работы ТНУ произвольной схемы на этапах, предшествующих непосредственному процессу проектирования.

Основой для формирования математических моделей ТНУ в подсистеме DVIGT является принцип встроенных циклов, позволяющий реализовать физическое толкование и универсальность процесса формирования моделей. Предметной основой подсистемы DVIGT служат: исходные модули, описывающие элементарные процессы в различных элементах установки в единых требованиях, обеспечивающих простоту их совместной работы; условия совместной работы этих модулей; универсальные алгоритмы задания произвольных программ регулирования, зависящих от внешних условий.

Структура предметной области системы DVIGT состоит из шести уровней: первый уровень - исходные модули, описывающие элементарные процедуры расчета (параметры рабочего тела произвольного состава, газодинамические и термодинамические функции, коэффициенты потерь и т.д.). Модули первого уровня автономны, т.е. не содержат обращений к другим модулям; второй уровень - модули, описывающие типовые термогазодинамические процессы (торможение потока, сжатие, расширение, подвод тепла, теплообмен, дросселирование и т.д.). "Работа" модулей второго уровня осуществляется обращением к модулям первого уровня; третий уровень - модули, описывающие работу основных узлов установки (входного устройства, компрессора испарителя, конденсатора и т.д.).

Функционирование этих модулей предполагает обращение к модулям первого и второго уровней; четвертый уровень-компоновка модулей третьего уровня, синтезирующая двигатели переменного рабочего цикла, энергоустановки, тепловые насосные установки произвольных схем; пятый уровень - модули, формирующие типовые задачи термодинамического анализа и синтеза (завязка, расчет характеристик, определение размерности и т.д.); шестой уровень - модули, формализующие проектные процедуры (идентификация, параметрический анализ, структурный анализ и т.д.)

Исходные модули, например модули третьего уровня, математически описывают физические процессы, протекающие в простейших элементах проточной части установки (для газотурбинного двигателя это - входное устройство, камера сгорания, компрессор, турбина и реактивное сопло). Они имеют единый вход и выход, не зависящий от предметного содержания модуля; G1, T*1, p*1, qт1-входные параметры модуля (qт - состав рабочего тела, G-количество рабочего тела, T*-температура рабочего тела, p*-давление рабочего тела); G2,T*2, p*2, qт2-выходные параметры модуля.

Универсальные принципы синтеза моделей из этих модулей базируются на условиях:

• неразрывности потока, обеспечивающих сохранение баланса расхода;
• баланса мощности, теплового баланса, условиях, накладываемых программами регулирования;
• агрегатного состояния рабочего тела.

Программы регулирования описываются унифицированным алгоритмом, реализующим заданную программу путем формирования системы управляемых невязок. В соответствии с названными исходными позициями алгоритм формирования математической модели установки с переменным рабочим циклом будет состоять из следующих основных этапов:

• синтез избыточной модели путем ее набора из элементарных типовых модулей, определяющих выбранную схему установки;
• описание термогазодинамических и механических связей модулей;
• описание параметров, характеризующих условия работы модулей;
• построение системы управляемых невязок, реализующих заданную программу регулирования;
• формулирование задачи анализа или синтеза.

Такой алгоритм построения математической модели установки позволяет достаточно сложный процесс синтеза модели с переменным рабочим циклом из типовых элементарных модулей формализовать простым и доступным способом для пользователей, не имеющих квалификации профессионального программиста. Модель установки произвольной схемы формируется из исходных модулей в последовательности, отображающей структуру конкретной схемы установки.

Подсистема DVIGT предназначена для структурного и параметрического экспресс-анализа на этапе предпроектных исследований и может решать следующие задачи в типовых проектных процедурах :

• формирование математической модели установки произвольной схемы "языком термодинамика";
• определение "размерности", расчет характеристик с оптимальным законом изменения параметров;
• оптимизацию программ регулирования и законов изменения параметров;
• параметрическую и структурную идентификацию математической модели установки;
• формирование произвольных запросов, отражающих типовые проектные процедуры;
• выполнение набора сервисных проектных процедур: принудительный диалог, диагностика, графика, документирование результатов, хранение как промежуточной информации, так и окончательных результатов расчета.

В качестве примера ниже приведена схема теплового насоса парокомпрессионного цикла:

Рис. 2.1.2

где: 1 - дроссель; 2 - испаритель; 3 - компрессор; 4 - конденсатор.

И формализованная схема этого же теплового насоса в системе DVIGT

Рис. 2.1.3

Термодинамический анализ теплового насоса проводится по действительному циклу (с потерями), а на основе анализа существующих конструкций с известными параметрами узлов проводится сравнение и делаются выводы о степени влияния и целесообразности использования того или иного параметра.