Теплонасосные установки с закритическим рабочим телом

Теплонасосные установки с закритическими параметрами рабочего тела

Одной из кардинальных мер по спасению озонового слоя является замещение фреонов другими веществами и, в частности, диоксидом углерода СО₂. В начале XX в. диоксид углерода широко использовался в холодильной технике в качестве хладагента, а затем был вытеснен фреонами (хладонами). Основным его недостатком является сравнительно низкая критическая температура 31°С при относительно высоком критическом давлении 7,8 МПа. Это приводит к существенному снижению холодильного коэффициента цикла парокомпрессионной холодильной машины для СО₂ по сравнению с другими хладагентами. Для некоторых из них значения холодильного коэффициента и соответствующих давлений насыщения представлены в таблице 1.

Таблица 1. 

Из табл. 1 следует, что холодильный коэффициент цикла с диоксидом углерода почти вдвое меньше, чем у остальных циклов. Это в первую очередь объясняется «узостью» цикла (малым интервалом изменения энтропии вблизи критической точки) и поэтому относительно сильным влиянием необратимых потерь при дросселировании в редукционном вентиле. Рабочие давления в цикле с СО₂ значительно выше, что связано с увеличением металлоемкости установки. Расход диоксида углерода почти не отличается от расхода фреона-R12 и значительно больше, чем у аммиака. Таким образом, почти по всем термодинамическим показателям диоксид углерода значительно уступает остальным хладагентам, что делает нецелесообразным его использование в качестве рабочего вещества в холодильных машинах.

Поскольку в тепловых насосах максимальные температуры и давления выше, чем в холодильных машинах, то считают, что в этом случае его применение тем более неэкономично. Как будет показано далее, имеются, однако, такие условия работы теплонасосных установок (ТНУ), в которых диоксид углерода имеет значительные преимущества перед другими рабочими телами, а его недостатки становятся менее существенными. Речь идет о ТНУ для горячего водоснабжения (бытового или технологического), в которых температура нагреваемой воды изменяется в сравнительно широких пределах от 5-15 до 50-70°С. Бытовое горячее водоснабжение составляет до 30-60% общей нагрузки теплоснабжения, оно не зависит от наружной температуры и стабильно в течение года. Это благоприятствует использованию мощных ТНУ для обеспечения нагрузок горячего водоснабжения.

При использовании в качестве теплоносителей веществ с конечной теплоемкостью и конечным массовым расходом (нагреваемая вода и низкотемпературный теплоноситель) образцовым циклом является не цикл Карно, а цикл Лоренца. Этот цикл состоит из двух изоэнтроп и двух процессов, линии которых отвечают изменению температуры теплоносителей. Поэтому для парокомпрессионных ТНУ, работающих в области влажного пара, эксергетические потери в результате необратимости процесса теплообмена в конденсаторе оказываются весьма значительными.

Использование рабочего тела с закритическими параметрами (диоксида углерода) позволяет заметно уменьшить эти потери. Отсутствие горизонтального участка на верхней изобаре дает возможность сблизить эту изобару с линией, описывающей состояние нагреваемой воды. Необходимо подчеркнуть, что специфика теплообмена при конденсации перегретого пара не позволяет полностью использовать температурный напор. При пленочной конденсации, определяющей является разность температур насыщения и стенки, то есть перепад температур в пленке конденсата. Перегрев пара учитывается лишь тем, что в расчетную формулу для коэффициента теплоотдачи подставляется соответствующая разность энтальпий вместо теплоты парообразования. Таким образом, для обеспечения гарантированного температурного напора приходится принимать большее давление на выходе из компрессора, чем то, которое было бы необходимо при проведении процесса охлаждения пара и его конденсации в двух отдельных теплообменных аппаратах. Теплота перегрева пара чаще всего составляет сравнительно небольшую долю удельной теплопроизводительности ТНУ. Поэтому обычно считается, что усложнение схемы в результате применения двух теплообменников недостаточно компенсируется некоторым повышением коэффициента преобразования тепла. В большинстве современных теплонасосных установках теплообменники-охладители пара не используются.

Пар на входе в компрессор считается сухим насыщенным. Внутренний относительный КПД турбокомпрессора и его электромеханический КПД приняты равными 0,8 и 0,9. Значение электромеханического КПД учитывает механические потери турбокомпрессора, приводного электродвигателя и повышающей зубчатой передачи, а также затраты энергии на привод вспомогательных механизмов (масляных насосов и прочих).

Наибольший коэффициент преобразования имеет цикл с диоксидом углерода, а меньший – с аммиаком. Заметно меньшее значение для аммиака по сравнению с хладоном R12 объясняется характером верхней пограничной кривой. У хладона эта линия идет гораздо круче (почти вертикально), а у аммиака более полого. Поэтому перегрев пара и соответствующие потери эксергии в первом случае оказываются небольшими δТпер=19°С, а во втором значительными – δТпер=105°С.

Необходимо отметить, что при использовании рабочего тела закритических параметров наличие необходимой разности температур на концах теплообменника «рабочее тело – нагреваемая вода» вовсе не обеспечивает гарантированный положительный температурный напор в любой его точке. Для СО₂ при максимальном давлении 9 МПа существует область отрицательных температурных напоров. Такой характер изобары определяется близостью критической точки, в районе которой изобарная теплоемкость вещества резко возрастает. Поэтому приходится повышать давление СО₂ на выходе из компрессора до 10 МПа, увеличивая тем самым эксергетические потери и соответственно уменьшая действительный коэффициент преобразования тепла.

Таблица 2.

Из сопоставления давлений, приведенных в табл. 1 для цикла холодильной машины, следует, что во втором варианте их различие для рассматриваемых рабочих тел заметно сглаживается. Кроме того, необходимо учесть, что рассматриваются ТНУ большой теплопроизводительности, к которым нужно подходить с мерками, аналогичными тем требованиям, которые предъявляются к крупным энергетическим установкам. А для такого рода установок давление 10 Мпа не является слишком высоким по сравнению, например, с давлением пара 24 МПа на тепловых электростанциях, причем при температурах, многократно превышающих максимальную температуру СО₂.

Металлоемкость установки можно существенно уменьшить, если отказаться от обычного конструктивного оформления теплообменного оборудования крупных ТНУ в виде многоходовых по воде кожухотрубных теплообменников с большими диаметрами корпусов. При высоких давлениях более целесообразно выполнять их в виде отдельных последовательно включенных элементных теплообменников. Следует отказаться также от того, чтобы пропускать воду (наиболее загрязняющий поверхность теплообмена теплоноситель) по трубному пространству теплообменника. Разумеется, это несколько затруднит их очистку, но позволит уменьшить толщину трубных решеток и корпусов теплообменников.

В результате применения химической очистки поверхностей теплообмена и предельных по прочностным требованиям скоростей движения теплоносителей (предельных скоростных напоров) можно сократить необходимые площади поверхности теплообменного оборудования. При этом затраты мощности на прокачку диоксида углерода остаются неизменными, так как имеется большой запас по перепаду давления, который затем тратится бесполезно при дросселировании в редукционном вентиле. И, наконец, в ТНУ с диоксидом углерода степень повышения давления оказывается значительно меньшей, чем для хладона и аммиака. Это позволяет вместо сложных многоступенчатых компрессоров использовать более простые центробежные нагнетатели, аналогичные тем, которые применяются на газоперекачивающих станциях. Большая плотность диоксида углерода по сравнению с плотностью сжатого газа является благоприятным фактором, так как при этом перепад давлений возрастает, а размеры проточной части нагнетателя (из-за снижения объемного расхода) уменьшаются.

С увеличением температуры низкопотенциального теплоносителя на входе в установку до 20-30°С коэффициент преобразования тепла растет для цикла с диоксидом углерода быстрее, чем для остальных рабочих тел. При этом максимальное давление в цикле возрастает не слишком сильно, а степень повышения давления в компрессоре (нагнетателе) уменьшается.

Энергетическая эффективность ТНУ с диоксидом углерода выше эффективности фреоновой ТНУ в 1,28, а аммиачной – в 1,4 раза. Поэтому применение ТНУ с диоксидом, углерода оказывается наиболее целесообразным для централизованного теплоснабжения промышленных городов, где почти всегда имеются тепловые выбросы, которые могут быть использованы в качестве источника низкопотенциального тепла для теплонасосных установок.

Диоксид углерода дешев, доступен, может быть получен в больших количествах, не взрывоопасен и не ядовит, не разрушает озоновый слой. Он является одним из наиболее перспективных рабочих тел для теплонасосных установок большой теплопроизводительности (с единичной теплопроизводительностью 20 МВт и выше) подобно тем фреоновым ТНУ, которые в настоящее время уже широко используются в некоторых зарубежных странах для централизованного теплоснабжения.