Многофункциональный стенд теплонасосной установки

Р.Ж. Низамутдинов, Д.В Козырев, О.С Пташкина – Гирина.

Аннотация: В работе ведётся поиск наиболее эффективных методов отбора тепла от различных источников тепловой энергии. Приводятся основания для выбора различных форм-факторов испарителей теплонасосных установок.

Ключевые слова: Тепловой насос, теплонасосная установка (ТНУ), испаритель, теплообменник.

Актуальность. На данный момент, из – за нехватки природных ресурсов, человечество стремится идти по пути уменьшения потребления и рационального использования невозобновляемых источников энергии. Одним из таких путей является использование теплонасосных установок в малой энергетике для отопления индивидуальных жилых домов и небольших предприятий. Работа направлена на повышение КПД ТНУ за счёт совершенствования формы теплообменника испарителя.

Основные элементы установки и конструкция стенда. Для проведения эксперимента был разработан и собран многофункциональный стенд ТНУ, который принципиально отличается от учебных стендов, предлагаемых многими фирмами. Столешница служит основанием для установки. На ней располагаются компрессор, дроссель, теплообменники и система коммутации всех составных элементов установки. Вертикальная панель выполняет роль информационного табло. На ней закреплены все приборы и разведена электрическая схема подключения стенда.
Стенд позволяет не только показать принцип работы тепловой установки, но и исследовать возможности отбора тепловой энергии от различных теплоносителей и режимы работы в системах отопления.

Примеры опытов, проводимых на установке. Наиболее наглядным и удобным является опыт «вода-вода». Он проводится при наличии воды как среды из которой мы будем забирать тепловую энергию в одной ёмкости и воды, которой мы будем отдавать тепло в другой ёмкости соответственно. После прохождения первого этапа эксперимента, получили следующие зависимости:

Рис. 1 – Графики количества теплоты и температуры.

Так как на первом этапе циркуляции в ёмкостях нет, жидкость расслаивается. На графике (рис.1) видно как изменяется температура в слоях жидкости.
Основная проблема на этом этапе эксперимента – это обледенение испарителя. Он покрывается коркой льда, что отрицательно сказывается на передаче тепла от жидкости к теплообменнику. График количества теплоты, которая выделяется за единицу времени на (рис.1). По этому, было решено провести второй этап эксперимента и сравнить результаты.
После прохождения второго этапа эксперимента получаем графики:

 Рис. 2– Графики количества теплоты и температуры.

На этом этапе жидкость внутри ёмкостей циркулирует и равномерно перемешивается.
Из графика видно, что температура на испарителе в этом случае понижается равномернее. Образование льда вокруг испарителя не наблюдается, увеличивается КПД. График выделения теплоты за единицу времени представлен на (рис.2).
Если сравнить два графика, то будет наглядно видна разница в выделении тепла на двух этапах эксперимента (рис.3).

Рис. 3– График сравнения получаемой теплоты.

Исследование эффективности работы теплообменного аппарата в грунте. Источником номер два становится грунт на небольшой глубине, но достаточной для сохранения НПТ.
Вторая серия опытов направлена на исследование поведения ТНУ при работе с песчаным грунтом. Логично предположить, что теплоёмкость и теплопроводность грунта будут зависеть от его влажности. Для получения наиболее приближённых и однотипных показаний был выбран строительный песок.
Теплообменник испарителя в форме змеевика при проведении экспериментов наглядно демонстрирует растекание тепловых полей, растекающихся концентрическими окружностями от центра теплообменника. За основу измерений были взяты три поля на равном удалении друг от друга.

После проведения замеров получаем графики:

Рис. 4– Графики распределения температуры в сухом и влажном песке.

Первая серия измерений (рис.4): испытания проводятся на сухом песке. Из графика видно заметное падение температуры на первом участке внутри спирали теплообменника и отсутствие отбора тепла с остальных зон. КПД ТНУ составил 1,83
Второй опыт (рис.4): Испытания проводятся на влажном песке(добавлено 100 гр воды на 1000 гр песка). Можно отметить, что графики температур начинают сходиться из-за повышения теплопроводности песка. Теперь становится заметно падение температуры в остальных зонах исследуемой среды. КПД ТНУ составил 1,95
Третий опыт проводился при максимальной влажности грунта, что позволяет получить представление о максимальном КПД испарителя ТНУ в данной среде(рис.5).


Рис.5 – График распределения тепла при максимальной влажности среды.

Выводы о работе теплообменника в грунте. После сбора данных выявляется некоторая зависимость для определённого типа теплообменника, установленного на лабораторный стенд, которая является функцией, где выделяемое на конденсаторе тепло зависит от влажности среды.
Другими словами можно составить прикладное выражение для определения эффективности теплообменника. Путём составления таких функций и сравнения показателей можно прийти к оптимальному варианту формы испарителя ТНУ.


Таким образом, получаем выражение:
Q_к=3.494φ+441.699,
где Q_к - теплота, выделяемая на коллекторе, φ – влажность грунта.
Вывод: Данный тип теплообменника(змеевик) является неэффективным при отборе тепла от грунта. Необходим поиск иных форм испарителя для повышения КПД установки, и создание новых выражений, обеспечивающих применение ТНУ в энергетике.

Список литературы
1. СНиП 23-01- 99. Система нормативных документов в строительстве. Строительные нормы и правила Российской Федерации. Строительная климатология. Режим доступа: http://www.kwark.ru/files/gs/010.pdf.
2. Низамутдинов Р.Ж. Использование низкопотенциальной тепловой энергии Земли для теплоснабжения сельского потребителя в условиях ЮжногоУрала: Автореферат дис.на соиск. к. т. н. ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия», Челябинск, 2013. 26 с.
3. Голованова И.В. Тепловое поле Южного Урала / Отв. ред. В.Н.Пучков; Ин-т геологииУфим. НЦ РАН. М.: Наука, 2005. 189 с.
4. Лабаротрный стенд ГалСэн - Тепловой насос [Электронный ресурс]. URL:http://galsen.ru/catalog (дата обращения 02.11.2015)
Сведения об авторах:
Низамутдинов Ринат Жаудатович ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет», доцент кафедры энергообеспечения и автоматизации технологических процессов, кандидат технических наук, e- mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Козырев Дмитрий Владимирович студент четвёртого курса ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет», e – mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Пташкина-Гирина Ольга Степановна, ФГБОУ ВО «Южно-Уральскийгосударственный аграрный университет», доцент кафедры энергообеспечения иавтоматизации технологических процессов, кандидат технических наук, доцент, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

 

г. Челябинск, ул. Шенкурская, 1-Б
Тел.: (351) 230-58-40;
Факс: (351) 727-17-16;
E-mail: labovar@yandex.ru

ПРАЙС
Vinaora Nivo SliderVinaora Nivo SliderVinaora Nivo SliderVinaora Nivo SliderVinaora Nivo SliderVinaora Nivo SliderVinaora Nivo Slider