Поток рабочего тела - хладоагента (напр. Фреона), задается следующими параметрами:
р - давление рабочего тела, кПа;
t - температура рабочего тела, С;
G - расход рабочего тела , кг/с;
Х - степень сухости,
имеет определенный цвет на экране и характерен только для данного типа информационного потока.
Модуль - “Дроссель” (расширитель, детандер) задан следующими входными параметрами:
p д - степень дросселирвания;
h д - КПД дросселирования;
и выходными параметрами:
р - давление на выходе из дросселя, кПа;
t - температура на выходе, С;
G - расход рабочего тела в дросселе, кг/с;
Х - степень сухости рабочего тела на выходе из дросселя.
Модуль-“Испаритель” (или теплообменник) задан входными параметрами:
Kисп – коэффициент общих потерь тепла в испарителе;
N - номер испарителя в многокаскадных схемах(1,2,3,..,N),
и выходными параметрами:
р - давление на выходе из испарителя, кПа;
t - температура на выходе испарителя, С;
G - расход рабочего тела в испарителя, кг/с;
Qu - количество тепла которое можно принять от теплоносителя (напр. воды), кВт.
Модуль - “Компрессор” задан следующими входными параметрами:
p к - степень повышения давления;
h к - КПД компрессора;
и выходными параметрами:
р - давление на выходе из компрессора, кПа;
t - температура на выходе из компрессора, С;
G - расход рабочего тела в компрессоре, кг/с;
Nк - мощность компрессора, кВт;
Кт - коэффициент преобразования теплоты теплового насоса.
Модуль – “Конденсатор” (или теплообменник) задан входными параметрами:
Кконд – коэффициент общих потерь тепла в конденсаторе;
N - номер конденсатора в многокаскадных схемах(1,2,3,..,N),
и выходными параметрами:
р - давление на выходе из конденсатора, кПа;
t - температура на выходе из конденсатора, С;
G - расход рабочего тела в конденсаторе, кг/с;
Qк - количество тепла которое, можно отдать теплоносителю , кВт.
Два модуля в модели теплового насоса (рис 2.1.3) - “Вход рабочего тела” и “Выход рабочего тела” служат для задания параметров потока соответственно на входе, т.е. в месте вооброжаемого разрыва в замкнутой схеме и получения параметров на выходе. Здесь рассматривается схема теплового насоса с разрывом в точке на линии насыщения рабочего тела, где параметры характеризующие поток (р, t, G, X) полностью известны. Такой точкой является место соединения конденсатора и дросселя. Таким образом, варьируя значениями входных параметров узла “Вход рабочего тела”, можно исследовать поведение теплового насоса при различных условий работы для широкой номенклатуры холодильных агентов.
Задача (например, термодинамический расчет ТНУ- завязка) по такой модели решается в соответствии с алгоритмом, реализующим последовательный расчет по составным модулям при заданных значениях параметров цикла. Для представленной схемы задача "завязки" на заданную выходную мощность сводится к итерационному подбору, например, расхода хладоагента при начальном значении до получения заданных значений переменных ТНУ. Задача расчета характеристик ТНУ решается последовательным расчетом модулей путем подбора регулирующих параметров до получения заданных значений регулируемых параметров.
В систему DVIGT встроены следующие численные методы решения систем уравнений:
- Метод Ньютона;
- Упрощенный метод Ньютона;
- Метод вложенных циклов, который подразделяется на следующие методы:
- метод бисекций;
- метод хорд;
- метод Ньютона;
- упрощенный метод Ньютона;
Основное меню подсистемы DVIGT представляет собой многооконный интерфейс, в котором можно выделить три уровня. Первый уровень образуют блоки функционального назначения (шесть блоков): блок "Архив" используется для работы с каталогом подсистемы ,для записи и хранения сформированных схем; блок "Компоновка" предназначен для визуального формирования и корректировки схемы ТНУ, описания термодинамических и механических связей между узлами, а также верификации и диагностики корректности модели; блок "Данные" реализует функцию параметризации каждого узла в специальных окнах; блок "Расчеты" предназначен для описания программ регулирования и выбора метода расчета при расчете характеристик; блок "Расчеты", так же, осуществляет выполнение задач расчетов ,блок "Результаты" предназначен для визуального и графического вывода результатов расчета.
Второй уровень представляет собственно рабочее поле, в котором происходит визуализация схемы ТНУ, параметризация узлов и просмотр результатов расчета. Второй уровень заполняется только в процессе работы в подсистеме. Третий уровень образуют эталонные модули , из которых формируется схема ТНУ. Основными объектами модели и языка являются модули узлов ТНУ, соединенные между собой при помощи газодинамических и механических связей. Модули реализуют единственную функцию (сжатие, подвод тепла, смешение и т.д.); имеют единый вход и выход; возвращают управление той программе (модулю), которая их вызвала; имеют возможность обращаться к другим модулям (расчет газодинамических функций, теплоемкости и т.д.); не сохраняют историю своих вызовов. Работа с подсистемой DVIGT ориентирована на диалоговое взаимодействие с ПЭВМ. Развитые средства верификации и оперативной диагностики позволяют выявить значительное количество ошибок проектировщика на возможно более раннем этапе работы. Выбор любой из функций подсистемы осуществляется на базе вложенных меню, причем по любому разделу меню возможно получение оперативной справочной информации.
Энергетические установки использующие низкотемпературные источники энергии
Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 10-15 лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов. Этот экологически чистый источник тепла достаточно часто используется, например, в Швейцарии, где в настоящее время эксплуатируется около четырех тысяч таких установок.
Алтайским региональным центром нетрадиционной энергетики и энергосбережения были проведены исследования вопросов взаимного влияния вертикального грунтового теплообменника и теплового насоса [186]. За основу была взята автоматизированная теплонасосная установка АТНУ-10 (рабочая жидкость - R22), разработанная АК "ИНСОЛАР" в рамках Государственной научно-технической программы России "Экологически чистая энергетика" и выпускаемая предприятием "ЭКОМАШ" (г. Саратов). В систему также включен вертикальный грунтовой теплообменник в скважине глубиной не более 100 м (как показали гидрогеологические исследования, 67% населения Алтайского края проживает на территории где глубина залегания первого водоносного горизонта меньше 30 м). Базовая температура грунта принята равной 280 К, что соответствует средней оценке температур на глубине более 5 м для условий Алтайского края.
Автоматизированная система управления теплового насоса типа АТНУ рассчитана таким образом, чтобы он работал при оптимальных условиях с постоянным значением теплового потока, определяемым тепловым потоком от первичного теплоисточника, входной температурой высокотемпературного контура и массовой скоростью теплоносителя высокотемпературного контура. При снижении требуемой тепловой нагрузки должно происходить отключение теплового насоса до восстановления заданной температуры. Если мощность грунтового теплообменника недостаточна для покрытия теплопотерь в высокотемпературном контуре, должен включаться пиковый доводчик.
Результаты, показали, что извлекаемая из грунта тепловая энергия линейно зависит от логарифма рабочей длины теплообменника. При этих условиях (фильтрационная скорость 10 м/сут) для получения из грунта 5-6 кВт тепловой мощности необходимая глубина теплообменника составит 50-60 м. Конструктивные особенности АТНУ требуют определенных условий для расхода теплоносителя высокотемпературного контура. Минимальный расход теплоносителя в контуре отопления должен составлять 0,3 кг/с (1 м*/ч). При меньших объемах в системе начнется накопление тепла и, как показали испытания на натурной установке, это приведет к повышению температуры и давления хладона, ухудшению работы испарителя и уменьшению съема тепла в грунтовом теплообменнике. И хотя при этом температура теплоносителя высокотемпературного контура повышается, эффективность работы всей схемы, определяемая отопительным коэффициентом, падает.
Большой интерес к использованию грунта в качестве источника тепла проявляется в Европе. Конструкция испарителя предлагается [1] в форме серпантина из трубок диаметром около 25 мм, уложенных на постоянной глубине на площади в несколько сотен квадратных метров. С целью уменьшения капитальных затрат трубки располагаются как можно ближе к поверхности.
Изучение грунта как источника тепла, поведённое в Европе показало, что тепловой поток к испарителю из грунта составляет 20-25 Вт/м, минимальное значение для Европы составляет 10 Вт/м, максимальное 50-60 Вт/м.
Оптимальная глубина и шаг размещения трубок составляют соответственно 1,5 и 2 м. В некоторых случаях из-за взаимного влияния предел 2 м расширяется. Трубки можно размещать на меньшей глубине, но при этом производительность теплового насоса может снижаться на 5% на каждый градус понижения температуры испарителя.
Помимо варианта испарения непосредственно хладоагента можно использовать промежуточный теплоноситель - рассол, циркулирующий по трубкам в грунте и отдающий тепло хладоагенту в специальном теплообменнике. Средняя температура рассола зимой составляет -3° С.
Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик.