Тема: ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТЫ ВОДЯНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА В УСЛОВИЯХ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЬДА НА ПОВЕРХНОСТИ ТРУБКИ ИСПАРИТЕЛЯ

В настоящее время растёт интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии [1-4], обусловленный ростом цен на традиционные
энергоресурсы и стремлением к более эффективному их расходованию [5-8]; а также экологическими проблемами, связанными с выбросами вредных веществ, образующихся при сжигании органического топлива [9-14]. В состав дымовых газов, как известно, входят оксиды азота, углерода, серы, полиароматические углеводороды, в том числе бенз(а)пирен, зола, шлак и другие вредные вещества [15].
В связи с этим внимание специалистов, как российских [9, 10, 16-38], так и зарубежных [39-49], обращено на исследования и разработки перспективных и экологически безопасных тепловых насосных установок (ТНУ), использующих низкопотенциальную теплоту окружающей среды (воздух, вода, грунт) для выработки тепловой энергии. Такие устройства позволяют использовать сбросную теплоту сточных вод и естественных водоёмов [50].
Варьируя схемы ТНУ, источники низкопотенциальной теплоты, конструкции контуров отбора, виды теплоносителей можно создавать экологически чистые установки с высоким коэффициентом преобразования энергии и возможностью регулирования тепловой мощности [51], расширенным диапазоном применения тепловых насосов при низких температурах окружающей среды, а также с организацией независимых технологических контуров с разными уровнями необходимых потребителю температур.
Преимущества тепловых насосов в сравнении с традиционными котельными - их экологичность, а с электрической системой отопления - экономическая эффективность [5-8, 52]. Например, электрическая система
обогрева на 1 кВт затраченной электроэнергии вырабатывает 1 кВт теплоты, а тепловой насос - от 3 до 5 кВт и более тепловой энергии [21, 52]. На сегодняшний день число ТНУ в мире измеряется миллионами и непрерывно растет [18].
Актуально применение ТНУ в России, большая часть территории которой расположена в климатических условиях с продолжительностью отопительного сезона не менее 8 месяцев в году [32]. Как правило, это регионы с относительно невысокой плотностью населения, что вызывает проблемы при разработке и реализации централизованных систем генерации, транспорта и распределения тепловой энергии. В таких условиях расходуется больше топлива для обеспечения нормативных показателей вследствие значительных потерь теплоты при ее транспортировке удаленным потребителям [53, 54]. Возможным решением этой проблемы является реализация эффективных локальных систем отопления в удаленных объектах теплопотребления, использование тепловых насосов.
Применение тепловых насосов в суровых климатических условиях России накладывает ряд ограничений по выбору источника низкопотенциальной теплоты. Наиболее простая и, соответственно, экономически более выгодная в реализации конструкция тепловых насосов с использованием теплоты окружающего воздуха не эффективна ввиду критически низких температур в отопительный сезон. Тепловые насосы, работающие от низкопотенциальной теплоты грунта и грунтовых вод, требуют высоких капитальных затрат на организацию контура отбора теплоты, проведение масштабных земляных работ. Вследствие этого срок их окупаемости становится несоизмеримым по сравнению с полученной экономией энергоресурсов. Наиболее рациональным и экономически оправданным для условий российского климата является тип тепловых насосов, использующий тепловую энергию открытых водных источников, широко распространенных на территории страны. Температура воды в водоемах даже в зимний период подо льдом, как правило, не опускается ниже 275 К [55, 56].
Однако эксплуатация теплового насоса с водяным контуром отбора теплоты в зимний период имеет ряд особенностей. Для эффективного теплоотбора разница между температурой воды в водоеме и хладагентом, циркулирующем в контуре теплового насоса, должна быть не менее 5 К [57]. Температура хладагента не должна опускаться ниже температуры кристаллизации воды, что приведет к образованию льда на трубках испарителя. Эффективность теплообмена в таких условиях существенно падает [58]. Кроме того, образование льда способствует деформации трубок теплообменника. Но на основании проведенного анализа литературы, можно сделать вывод, что до настоящего времени не проводились систематические исследования работы тепловых насосов в условиях кристаллизации воды на теплообменных поверхностях трубок испарителя.
В том числе:
а) не установлены закономерности процессов кристаллизации воды и таяния льда на поверхностях трубок испарителя в процессе эксплуатации теплового насоса при относительно низких температурах воды в источнике (280-286 К);
б) не исследованы изменения интенсивности теплообмена при увеличении толщины льда на поверхностях трубок испарителя в условиях термогравитационной конвекции, когда из-за разности температур слоев жидкости в области трубки испарителя инициируется движение жидкости;
в) не обоснованы возможности эксплуатации тепловых насосов в условиях образования льда на поверхности трубок испарителя и эффективность его работы;
г) не разработана методика определения длины трубки испарителя, необходимой для эффективной работы теплового насоса в условиях образования льда на части поверхности испарителя.
Вышесказанное определяет актуальность настоящего диссертационного исследования.
Целью работы является установление основных закономерностей процессов образования и таяния льда на поверхности трубок испарителя водяного теплового насоса, функционирующего в условиях относительно низких температур воды в непроточном водном источнике теплоты, и анализ эффективности работы ТНУ при изменении интенсивности теплообмена в результате образования льда на поверхности трубки испарителя.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование процессов образования и таяния льда на рабочих поверхностях трубок испарителя ТНУ, погруженных в воду с температурой 280 - 286 К.
2. Установление временных характеристик процессов кристаллизации воды и плавления льда в испарителе при работе теплового насоса в условиях низких температур водного источника низкопотенциальной теплоты.
3. Анализ эффективности работы теплового насоса при образовании льда на трубках испарителя.
4. Разработка математической модели теплообмена между
низкопотенциальным источником теплоты и хладагентом в трубке испарителя при образовании слоя льда на поверхностях трубки в условиях термогравитационной конвекции воды вследствие изменения температуры и плотности её различных слоев.
5. Разработка методики определения минимальной длины трубки испарителя, необходимой для испарения фреона в условиях кристаллизации воды на части внешней поверхности этой трубки.
6. Моделирование процесса теплообмена в области трубки испарителя водяного теплового насоса.
7. Разработка рекомендаций по повышению эффективности работы водяного теплового насоса при периодическом образовании и таянии льда на поверхности трубки испарителя в условиях соответствующих непроточным водоёмам многих регионов России и Сирии в период весны, зимы и осени.
Объектом исследования являются парокомпрессионный тепловой насос, работающий в условиях образования слоя льда на рабочих поверхностях трубок испарителя, использующего воду с температурой ниже 286 К в качестве низкопотенциального источника энергии.
Предметом исследования является процесс формирования и плавления льда на трубке испарителя, погруженного в воду с температурой 280-286 К.
Научная новизна работы
1. Впервые экспериментально установлены значения температур в основных узлах водяной теплонасосной установки (поверхности трубки теплообменника-испарителя, в водной среде вблизи поверхности трубки испарителя и конденсатора), зарегистрированы толщины слоя льда на поверхности трубки испарителя, определены условия и время образования и плавления льда.
2. Установлено влияние кристаллизации воды на стенках трубки испарителя на эффективность работы теплового насоса.
3. Выполнена оценка воздействия термогравитационной конвекции, возникающей вследствие разности температур различных слоев воды в водоеме при работе теплового насоса, на временные характеристики процессов кристаллизации воды и таяния льда на поверхности трубки испарителя, погруженного в водный источник низкопотенциальной теплоты.
4. Определены минимальные длины трубки испарителя, достаточные для работы теплового насоса при определённой толщине льда на части рабочей поверхности испарителя.
Практическая значимость исследования заключается в следующем:
1. Установлены условия эксплуатации водяного теплового насоса с достаточной эффективностью в условиях образования льда на поверхностях теплообмена испарителя, погруженного в водоем со стоячей водой при низкой температуре.
2. Выявлена зависимость характеристик работы водяного теплового насоса от температуры воды источника низкопотенциальной теплоты и температуры теплоносителя в системе обогрева здания.
3. Разработан алгоритм расчета минимальной длины трубки испарителя, достаточной для работы теплового насоса в условиях образования льда на части поверхности испарителя.
Достоверность полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей выполненных измерений, повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях параметров, а также сравнением теоретическими и экспериментальными данными.
На защиту выносятся основные результаты и следующие положения:
1. Экспериментально установленные временные характеристики процессов образования и таяния льда на поверхности трубки испарителя, а также изменения толщины слоя льда в зависимости от температуры воды источника низкопотенциальной теплоты (280 К< Ти <286 К) и температуры теплоносителя в системе обогрева помещения.
2. Результаты проведенной оценки эффективности работы водяного теплового насоса при нагревании воды в условиях образования льда на поверхности трубок испарителя, погруженного в воду с относительно низкой температурой (не более 286 К).
3. Результаты экспериментальных исследований влияния
термогравитационной конвекции, возникающей в водоеме с непроточной водой вследствие перепада температур и плотностей по толщине слоя воды, на интенсивность теплообмена между хладагентом, циркулирующем в рабочем контуре теплового насоса, и низкопотенциальным источником теплоты.
4. Алгоритм определения минимальной длины трубки испарителя, достаточной для испарения фреона в условиях образования льда на части поверхности трубки испарителя.
5. Работа теплонасосных установок, ориентированных на использование теплоты низкопотенциального источника-воды непроточных водоёмов, на территории большей части РФ в зимний период года при характерных температурах воздуха менее 273 К сопровождается образованием льда на поверхности трубок испарителя.
6. Максимально достижимый уровень температур теплоносителя системы локального отопления на базе теплонасосной установки в зимний период года на большей части территории РФ при использовании энергии водоёмов с непроточной водой не превышает 315 К в циклическом режиме работы.
Личный вклад автора состоит в экспериментальных исследованиях процессов теплопереноса и образования льда на поверхности трубок испарителя теплонасосной установки, использующей в качестве источника низкопотенциальной теплоты воду с температурой, соответствующей температуре естественных водных объектов в холодный период года в Сирии и во многих частях России. Автором решены задачи конвективного теплопереноса в испарителе теплового насоса при образовании слоя льда на поверхности трубки испарителя, выполнен анализ теплопередачи от водного источника к испарителю, проведены анализ и обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований, сформулированы основные выводы диссертационной работы.
Хочется выразить искреннюю благодарность научному руководителю, д.-ру физ.-мат. наук, профессору, главному научному сотруднику Томского политехнического университета, Г.В. Кузнецову, а также кандидату технических наук, доценту Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова НИТПУ, В. И. Максимову за наставничество и методическую помощь при подготовке диссертации к защите.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: «International Youth
Scientific Conference», Томский политехнический университет (г. Томск, 2017 г.), V Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», Томский политехнический университет (г. Томск, 2017 г.), Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment, (г. Томск, 2018), Международная научная конференция «Энерго-
ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития», (г. Томск, 2018)
Публикации:
Результаты диссертационных исследований опубликованы в 7 печатных работах, в том числе четыре - в журналах, рекомендованных ВАК РФ: «Промышленная энергетика», «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов»; две - в журнале, индексируемом базами данных «Scopus» и «Web of Science» : «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов». Опубликованы три работы в издании «MATEC Web of Conferences».
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 140 наименований. Диссертация изложена на 158 страницах, включает 12 таблиц и 54 рисунка.
Первая глава посвящена анализу условий и характеристик работы водяного теплового насоса, рассмотрены различные варианты источников низкопотенциальной теплоты, представлены распределения температуры воды в озёрах и реках Сирии и Российской Федерации в разные сезоны. Рассмотрены наиболее типичные хладагенты, используемые в контуре теплового насоса. Проведен анализ публикаций, в которых зарегистрированы процессы кристаллизации воды на теплообменных поверхностях испарителя. Рассмотрены публикации, в которых изучались процессы теплообмена между водой и стенками трубок с температурой ниже 273 К.
Вторая глава посвящена описанию лабораторной установки и результатам экспериментальных исследований влияния начальной температуры воды вблизи поверхности трубок испарителя на режимы работы водяного теплового насоса. Рассмотрены относительно низкие температуры водного источника (280, 282, 286 К), наиболее характерные осеннему, зимнему и весеннему периодам года большей части территории России и Сирии. Рассмотрены два варианта источника низкопотенциальной теплоты: пресная вода и насыщенный солью водный раствор. Проведено сравнение эффективности работы насоса при использовании этих источников. Построены зависимости температуры поверхности трубки испарителя и конденсатора, а также воды вблизи их поверхности от времени при разных начальных значениях температуры источника теплоты. Исследовано влияние слоя льда, образующегося на поверхности трубки испарителя, на эффективность теплового насоса. Определен коэффициент преобразования ТНУ при низких температурах воды.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния течения, возникающего в воде вблизи трубки испарителя в результате термогравитационной конвекции, на процесс кристаллизации воды на поверхности трубки. Проведено сравнение характеристик теплопереноса между водой вблизи поверхности трубки испарителя и хладагентом с полученными экспериментальными данными. Обоснована необходимость учета
термогравитационного течения, возникающего в непроточном водоеме в холодный период года, при определении параметров теплообмена между трубкой с фреоном и водой. Установлены условия образования и таяния льда.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния начальной температуры воды в области трубки конденсатора на характеристики процесса кристаллизации воды на поверхности трубки испарителя. Исследован нагрев воды при работе конденсатора ТНУ при начальных температурах воды в контуре обогрева 291 К, 298 К, 301 К.
В пятой главе представлены результаты математического моделирования процесса теплообмена между трубкой испарителя и водой в условиях термогравитационной конвекции и кристаллизации воды на поверхности трубки. Разработана двухмерная математическая модель теплопереноса, рассчитаны поля температур при разном расположении трубок испарителя, толщины льда на их поверхности, построены поля скоростей и линий тока вблизи поверхности трубки испарителя в разные моменты времени. Проведено сравнение тепловых потоков, рассчитанных с учетом и без учета влияния конвективных течений и процессов фазового перехода на теплообменной поверхности трубки испарителя. Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследования.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

Купить

1. По результатам экспериментальных исследований установлены основные характеристики процессов теплопереноса в условиях кристаллизации воды на поверхностях трубок испарителя (зависимости от времени, температур поверхности трубок испарителя и конденсатора, толщин льда, температур теплоносителя).
2. Установлены значения коэффициента производительности теплонасосной установки в условиях образования льда на поверхностях трубок испарителя.
3. Выделены характерные режимы работы теплонасосных установок в условиях низких (280 К-286 К) температур низкопотенциального источника теплоты - воды. Разработаны рекомендации по повышению эффективности цикличной работы теплонасосных установок.
4. Показано, что в условиях периодов низких температур воздуха, характерных для части территории России, Сирии в весенний, осенний и зимний период времени возможен нагрев теплоносителя в системе отопления с использованием теплонасосных установок до температур не более 315 К.
5. Установлено, что условия работы ТНУ при низких температурах воды в водоёмах (источниках теплоты) во многом определяются свободной конвекцией воды в окрестности трубок испарителя.
6. Теплонасосные установки в условиях большей части территории России и Сирии в период весны, осени и зимы не могут обеспечить автономный режим теплоснабжения объектов при использовании в качестве источника энергии тепла водоёмов с непроточной водой (озёра, пруды, водохранилища).
7. В условиях низких (менее 263 К) температур окружающего воздуха
теплонасосные установки могут использоваться только в качестве
дополнительного источника теплоты для системы «тёплый пол» в диапазоне температур последнего до 315 К.

Купить