Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов
Предложена новая методика тестирования термодинамической эффективности теплового насоса, которая позволяет по ограниченному числу замеряемых параметров оценить энергоемкость выработанного тепла. С использованием энтропийно-статистического подхода Гордона–Нджу сформирована полуэмпирическая термодинам...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99256 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов / В.А. Тарасова // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 13-20. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859666775163011072 |
|---|---|
| author | Тарасова, В.А. |
| author_facet | Тарасова, В.А. |
| citation_txt | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов / В.А. Тарасова // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 13-20. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Предложена новая методика тестирования термодинамической эффективности теплового насоса, которая позволяет по ограниченному числу замеряемых параметров оценить энергоемкость выработанного тепла. С использованием энтропийно-статистического подхода Гордона–Нджу сформирована полуэмпирическая термодинамическая модель, позволяющая учесть реальную величину внутренней диссипации энергии в цикле и оценить эффективность теплового насоса при работе с частичной нагрузкой. Создан программный комплекс по обработке результатов мониторинга теплонасосной системы тепло- и холодоснабжения административного здания в режиме реального времени. По результатам тестирования работы теплового насоса VMN430L выявлено, что он эксплуатируется в режиме неполной загрузки (80%). Это приводит к увеличению потерь от необратимости в цикле на 7,3÷10% по сравнению с режимом полной загрузки.
Запропоновано нову методику тестування термодинамічної ефективності теплового насоса, яка дозволяє за обмеженим числом параметрів, що заміряються, оцінити енергоємність виробленого тепла. З використанням ентропійно-статистичного підходу Гордон-Нджу сформовано напівемпіричну термодинамічну модель, яка дозволяє врахувати реальну величину внутрішньої дисипації енергії в циклі і оцінити ефективність теплового насоса при роботі у режимі з частковим навантаженням. Створено програмний комплекс для обробки результатів моніторингу теплонасосної системи тепло- і холодопостачання адміністративної будівлі в режимі реального часу. За результатами тестування роботи теплового насоса VMN430L виявлено, що він експлуатується в режимі з неповним навантаженням (80%). Це призводить до збільшення втрат від незворотності в циклі на 7,3÷10% в порівнянні з режимом повного завантаження.
Proposed the methodology of monitoring of heat pump allows real-time to exercise thermodynamic testing of the heat pump for a limited amount of measured parameters, including operation at partial load. The essence of the technique is that on the basis of data thermodynamic efficiency statistics catalogs of manufacturers of chillers and heat pumps the regression equation is formed for determine the loss of irreversibility in the cycle. This relationship serves as the reference characteristics of heat pump for his diagnosis in real time, with only available data on the coolant temperature at the inlet of the evaporator and condenser, as well as indications of heat and electricity. Monitoring of the heat pump VMN430L in the heating system of the office building showed that this model is mainly operated in partial load operation. This led to a substantial increase in the amount of internal energy dissipation in the cycle and as a result increased power consumption. While reducing the cooling capacity by 50% with respect to full load the irreversibility losses varied by only in 1%. In addition, while raising the temperature of ambient air and below 0 °C and increasing its humidity to 85% significantly reduces the effectiveness of heat pump. Thus, our monitoring showed the ineffectiveness of this model. By the way, it should be noted that revealed by the settlement and pilot testing shortcomings are not typical for the current generation of chillers and heat pumps (for example, chillers Clivet, Trane).
|
| first_indexed | 2025-11-30T12:09:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 13
В. А. Тарасова,
канд. техн. наук
Институт проблем
машиностроения
им. А. Н. Подгорного
НАН Украины,
г. Харьков, e-mail:
tarasova@ipmach.kharkov.ua
УДК 621.577
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Запропоновано нову методику тестування термодинамічної ефективності
теплового насоса, яка дозволяє за обмеженим числом параметрів, що
заміряються, оцінити енергоємність виробленого тепла. З використанням
ентропійно-статистичного підходу Гордон-Нджу сформовано напівемпі-
ричну термодинамічну модель, яка дозволяє врахувати реальну величину
внутрішньої дисипації енергії в циклі і оцінити ефективність теплового
насоса при роботі у режимі з частковим навантаженням. Створено про-
грамний комплекс для обробки результатів моніторингу теплонасосної
системи тепло- і холодопостачання адміністративної будівлі в режимі
реального часу. За результатами тестування роботи теплового насоса
VMN430L виявлено, що він експлуатується в режимі з неповним наванта-
женням (80%). Це призводить до збільшення втрат від незворотності в
циклі на 7,3÷10% в порівнянні з режимом повного завантаження.
Ключові слова: тепловий насос,
термодинамічна ефективність,
моніторинг, ексергетичний кое-
фіцієнт перетворення.
Введение
В настоящее время энергоемкость единицы произведенного тепла в течение всего срока экс-
плуатации теплового насоса (ТН) фактически не контролируется. После монтажа ТН на объекте во-
прос контроля его параметров, как правило, становится уже обязанностью потребителя теплоты, а не
производителя. Поэтому информация о его реальном энергопотреблении остается без анализа и
обобщения. Между тем, контроль расхода энергии в ТН должен быть такой же обязательной проце-
дурой, как и контроль расхода топлива в автомобиле, если использовать подобную аналогию [1].
Применяемые на объектах с ТН системы мониторинга осуществляют, как правило, только наблюде-
ние за его работой, включающее регистрацию незначительного числа замеряемых параметров. При
этом следует отметить, что по целому ряду причин, прежде всего обусловленных желанием потреби-
теля «сэкономить на системе мониторинга ТН», а также опасением за его гарантийное обслуживание,
не регистрируются параметры термодинамического цикла. Это, в свою очередь, не позволяет в пол-
ной мере судить о термодинамической эффективности ТН. Накопленный опыт эксплуатации ТН поз-
воляет утверждать, что только за счет создания системы эффективного мониторинга множество про-
блем, связанных с влиянием эксплуатационных факторов, может быть устранено еще до момента их
критического накопления, что в дальнейшем позволит обеспечить заметный эффект энергосбереже-
ния.
Коэффициент преобразования ТН, как и холодильный коэффициент, в известной мере дают
лишь интегральную характеристику эффективности [2, 3] и не позволяют судить о качестве установ-
ки. В ряде случаев они могут даже дезориентировать (любая устаревшая установка, имеющая в своем
составе неэффективные компрессор, конденсатор или испаритель, но эксплуатируемая в значительно
меньших температурных границах термодинамического цикла, может иметь более высокий коэффи-
циент преобразования, чем новая установка, работающая в больших температурных границах).
По нашему мнению, только анализ реальных значений потерь от необратимости позволит су-
дить о действительной энергоемкости выработанного тепла и свидетельствовать о качестве ТН. Эти
значения должны быть получены на основе мониторинга действующих объектов с ТН. В такой по-
становке задачи мониторинга ТН представляются гораздо шире. Это не просто регистрация теплопо-
требления объекта и затраченной приводной мощности ТН, но также анализ и диагностика термоди-
намической эффективности.
В. А. Тарасова, 2016
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 14
Постановка задачи и анализ литературы
В начале девяностых годов ХХ века появился ряд пионерских работ по диагностике чиллеров
и установок кондиционирования, которые были преимущественно ориентированы на выявление в
них признаков неисправностей и составление так называемой «матрицы симптомов». Каждой неис-
правности соответствовало увеличение или уменьшение конкретных замеряемых параметров
(например, температур и давлений в термодинамическом цикле) относительно этих параметров при
исправном состоянии установки [4, 5]. Основным недостатком такой диагностики была невозмож-
ность идентификации нескольких неисправностей. В последние два десятилетия разработаны мето-
дики более точного обнаружения аномалий в работе чиллеров и ТН [6–8], целью которых было выяв-
ление причин, влияющих на уменьшение эффективности установки, а также обеспечение возможно-
стей для быстрого их устранения. Разработанные он-лайн FDD методики [6] диагностики термот-
рансформаторов позволяли определить влияние нескольких аномалий на производительность уста-
новки.
При реализации этих методик, базирующихся на измерениях термодинамических параметров
установки, для обнаружения неисправностей, приведших к снижению ее производительности, ис-
пользуются виртуальные датчики и упрощенные математические модели термотрансформаторов.
Следует добавить, что он-лайн FDD методики, в конечном счете, могут идентифицировать лишь кон-
кретную неисправность, но они не позволяют оценить, является ли определенная причина аномалии
«тяжелой» или «легкой» в плане энергопотребления установки. Для этого необходима оценка влия-
ния величины деструкции эксергии в элементе из-за возникшей аномалии на приводную мощность
всей установки. Чтобы количественно оценить это влияние, широко используются методы современ-
ной прикладной термодинамики. В последние годы получило развитие одно из ее направлений – тер-
моэкономическая диагностика [9]. По результатам такой диагностики можно представить полную
картину распределения деструкции эксергии в элементах установки.
Между тем, используя указанные методики [4–9], без измерения температур и давлений хла-
дагента во всех точках термодинамического цикла ТН получить исчерпывающую информацию об
эффективности элементов невозможно. Кроме того, существует еще один важный аспект эксплуата-
ции ТН, который остается за рамками возможностей перечисленных методик анализа и диагностики.
Это – работа ТН в режиме с неполной нагрузкой. Как известно, большую часть времени чиллеры и
ТН работают в режиме неполной нагрузки, составляющей менее 60% расчетной.
Термодинамический анализ такого режима с помощью традиционных «энергетических» ме-
тодик провести корректно невозможно по следующей причине. Согласно энергетическому балансу
чиллера или ТН теоретическое изменение мощности, потребляемой компрессором, должно быть про-
порциональным изменению холодопроизводительности Q0. Однако в реальных условиях при работе в
режиме с частичной нагрузкой это условие не соблюдается, и изменение потребляемой мощности и
холодопроизводительности происходит непропорционально. Причиной этого является величина
внутренней диссипации энергии Sвн в цикле.
Данные испытаний [10, 11] парокомпрессионных чиллеров и ТН показали, что в реальных
условиях их эксплуатации при изменении Q0 величина внутренней диссипации энергии остается по-
стоянной. Этому есть объяснение. Как известно [12], величина внутренней диссипации энергии Sвн
включает в себя: приращение энтропии в единице массы хладагента и приращение энтропии при из-
менении массовой скорости потока хладагента. В реальных чиллерах и ТН, когда массовая скорость
потока хладагента уменьшается, например при дросселировании во всасывающем патрубке поршне-
вого компрессора, приращение энтропии в единице массы увеличивается, поскольку усиливается
влияние внутреннего трения между молекулами. По этой причине при снижении холодопроизводи-
тельности теплового насоса в режиме с частичной нагрузкой значение внутренней диссипации в цик-
ле остается приблизительно постоянным.
Для учета этого эффекта в работах 10–12 развит несколько иной, по сравнению с указанны-
ми выше, подход к анализу чиллеров и ТН. Он основан на использовании статистической информа-
ции относительно величины Sвн в действующих установках. Именно этот подход нам представляет-
ся наиболее рациональным при оценке недогруженного режима.
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 15
Цель исследования
Целью настоящего исследования является разработка новой методики расчетно-
экспериментального тестирования термодинамической эффективности ТН, позволяющей по ограни-
ченному числу замеряемых параметров оценивать его энергетические и эксергетические характери-
стики, в том числе при работе в режиме с частичной нагрузкой, а также проведение мониторинга ра-
боты бивалентной системы отопления административного здания, обобщение и анализ данных ре-
альной эксплуатации ТН.
Методика мониторинга и термодинамического тестирования теплового насоса
Проиллюстрируем, не претендуя на исчерпывающую полноту, предлагаемую методику мони-
торинга ТН на примере конкретного объекта.
Методика включает в себя три этапа: первый – мониторинг ТН, предполагающий только ре-
гистрацию данных и сбор информации о работе ТН; второй – обработка данных мониторинга; третий
– анализ и диагностика термодинамической эффективности ТН.
В здании торгово-офисного комплекса г. Харькова, объёмом 17580 м
3
, суммарной тепловой
мощностью 924 кВт, выполнена низкотемпературная система водяного отопления на базе теплового
насоса «воздух–вода». По проекту были установлены два тепловых насоса марки Vicot серии
VMN430L, использующих в качестве хладагента фреон R407C. Проектный режим работы ТН: тепло-
производительность Qк = 450 кВт, потребляемая мощность компрессора Nкм = 136,7 кВт при темпера-
туре наружного воздуха Тнв = 7 С и температурах воды на входе и выходе из конденсатора
Тw = 40/45 C.
Системой мониторинга работы ТН, установленной на объекте, регистрировались следующие
параметры: температура и влажность наружного воздуха; температуры воды в «прямой» и «обрат-
ной» магистралях системы отопления; потребляемая мощность компрессоров; расход воды в конден-
саторе теплового насоса. Для учета расхода тепла на отопление использовался одноканальный тепло-
счетчик ФОРТ-04.
На втором этапе производилась обработка данных мониторинга ТН. Коэффициент преобразо-
вания СОР определялся по формуле
ii
ii
WW
QQ
COP
1
1 , (1)
где Qi, Qi+1 и Wi, Wi+1 – показания тепло- и электросчетчиков в предыдущие и последующие моменты
времени, соответственно, кВтч.
Следует отметить, что значение СОР по формуле (1) является средним за рассматриваемый
промежуток времени работы ТН (от i до i + 1). Для корректного анализа характеристик ТН необхо-
димо перейти от средних за рассматриваемое время показателей к секундной тепловой мощности.
Зная потребляемую мощность компрессора Nкм, которая регистрируется каждую секунду работы
установки, определяем теплопроизводительность ТН (кВт)
Qк = NкмСОР.
На рис. 1 и 2 представлены результаты обработки данных мониторинга одного из установ-
ленных ТН марки VMN430L.
Анализ рис. 1, 2 показал, что отключение ТН происходит по разным причинам. Первая при-
чина – ТН отключается, когда температура воды в баке-аккумуляторе (БАТН) достигает уровня тре-
буемой. Вторая – отключение ТН связано с обмерзанием испарителя и необходимостью его последу-
ющей дефростации (размораживание). Третья причина – ТН отключается при температурах наружно-
го воздуха ниже –1 С, тогда для покрытия тепловой нагрузки системы отопления подключается теп-
логенератор.
По результатам регрессионного анализа данных мониторинга ТН VMN430L получено урав-
нение для расчета COP в зависимости от следующих факторов: влажности наружного воздуха φ, его
температуры Tос, а также температуры воды на входе в конденсатор Tw1
COP = 2,48063 + 0,00510952φ + 0,11402Tос – 0,0150195Tw1. (2)
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 16
Уравнение (2) справедливо для следующего диапазона изменения факторов: φ = 69÷99%;
Tос = –1÷6 С; Tw1 = 33÷41 С.
Третий этап предлагаемой методики – анализ и диагностика эффективности ТН с использова-
нием полуэмпирических термодинамических моделей.
На этом этапе выясняется, соответствуют ли реальные значения энергетической эффективно-
сти ТН тем значениям, которые производитель заявляет в качестве эталонных для данной модели.
Полуэмпирические термодинамические модели основываются на уравнениях энергетического
и энтропийного балансов с использованием статистических данных о величинах внутренней дисси-
пации энергии в реальных установках. Моделирование энергетической эффективности как таковое
осуществляется в них без привлечения данных о теплофизических свойствах хладагентов и конструк-
тивных характеристиках оборудования ТН.
Ниже представлена полуэмпирическая термодинамическая модель, полученная нами с помо-
щью энтропийно-статистического подхода Дж. Гордона и К. С. Нджу 10–12. Методом множествен-
ной регрессии были обработаны заявленные производителем каталожные значения энергетической
эффективности ТН-чиллера VMN430L.
При соответствующих температурах воды на входе в конденсатор Tw1 и воздуха на выходе из
испарителя Ts2, а также заданном значении Q0 получено регрессионное уравнение следующего вида:
2121100
2
11
1
sww
s
w ТTAATAQ
Т
T
, (3)
где ε – холодильный коэффициент; А0, А1, А2 – коэффициенты уравнения регрессии, которые характе-
ризуют влияние потерь от необратимости в элементах ТН на энергетическую эффективность.
Так, коэффициенты А0 и А1 условно можно отнести к конденсатору, а А2 – к испарителю.
Следует отметить одну важную особенность энтропийно-статистического анализа ТН. При
получении регрессионного уравнения (3) обработка данных производится по значениям холодильной
0
100
200
300
400
0 22 44 66 88 110 132 154 176 198 220 242 264 286
t,ч
Q к
Q,
кВт
N км
Рис. 2. Потребляемая мощность Nкм и теплопроизводительность Qк ТН,
полученные в результате обработки данных мониторинга
-10
0
10
20
30
40
50
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288
20
40
60
80
100
120T ,
o
C
t, ч
T oc
T w 1
j
j,%T ,
o
C
T oc
T w 2
j,%
04.03. 05.03 06.03 07.03 08.03 09.03 10.03 11.03 12.03 13.03 14.03 15.03 день
Рис. 1. Изменение влажности φ и температур наружного воздуха Тос, воды на входе Тw1
и на выходе из конденсатора Тw2 в период эксплуатации ТН с 4 по 15 марта 2012 г
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 17
мощности Q0 и холодильного коэффи-
циента ε, а не по теплопроизводитель-
ности Qк и коэффициенту преобразова-
ния COP. Это требует пояснения. Со-
гласно энергетическому балансу ТН
мощность привода компрессора Nкм
определяет величину полезной тепло-
производительности Qк = Q0 + Nкм, при
этом та же мощность затрачивается
также на преодоление термогидравли-
ческой необратимости в цикле. Таким
образом, выделить отдельно от мощно-
сти влияние потерь в цикле на коэффи-
циент преобразования ТН при сохране-
нии заданной теплопроизводительности
невозможно. Следовательно потери от
необратимости должны быть отнесены к холодопроизводительности установки, а не к ее теплопроиз-
водительности.
В результате обработки данных каталогов заводских испытаний модели VMN430L получено
следующее регрессионное выражение для анализа потерь от необратимости:
2110
2
1 701,834836,7750825,31
1
sww
s
w ТTTQ
Т
T
, (4)
которое при термодинамическом анализе выступает в качестве эталонной характеристики ТН.
Достоверность регрессионного уравнения подтверждалась оценкой основных статистических
показателей и критериев [13].
На рис. 3 представлен характер изменения потерь от необратимости в зависимости от отно-
шения Tw1/Ts2.
Линиями показаны значения потерь, полученные по регрессионной зависимости в результате
обработки данных каталогов производителя (правая часть выражения 4). Значения эксергетических
потерь в реальном режиме эксплуатации, вычисленные как 0
2
11
1
Q
Т
T
s
w
, отмечены точками. Об-
ласть А на рис. 4 относится к временному интервалу работы ТН с 4 по 8 марта 2012 г., а область В
соответствует периоду работы ТН с 13 по 15 марта 2012 г. (см. рис. 3). Точка C соответствует реаль-
ному режиму работы ТН (Tw1 = 313,5 К, Q0 = 178 кВт, ε = 1,46).
Из анализа рис. 3 мож-
но сделать вывод, что реальные
условия эксплуатации ТН не
привели к появлению дополни-
тельной необратимости в цик-
ле, связанной с износом обору-
дования (отложение солей, за-
масливание внутритрубной по-
верхности), а также его полом-
кой. Отличие в значении эксер-
гетических потерь до 5 кВт
(точка С на рис. 3) может быть
связано с влиянием влажности
на интенсивность процесса
теплообмена в испарителе, а
соответственно и на потери от
75
80
85
90
95
100
1,1 1,12 1,14 1,16 1,18
[(
1
/
)+
1
-(
T
w
1
/T
s
2
)]
/Q
0
,
к
В
т
T w 1/T s2
T w 1=307 K
T w 1=309 K
T w 1=313 K
T w 1=311 K
T w 1=315 K
C
A
B
Рис. 3. Изменение потерь от необратимости в цикле
в зависимости от Tw1/Ts2 для ТН VMN430L
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,17
T w1 /T s2
E
P
C
T w 1=313 К
T w 1=309 К
T w 1=307 К
C
T w 1=311 К
Рис. 4. Зависимость ЕРС от Tw1/Ts2
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 18
необратимости. Точки, показанные
на рис. 3, в целом дают важную ин-
формацию относительно изменения
эксергетических потерь от темпера-
тур в цикле, но в итоге не позволя-
ют в полной мере оценить влияние
масштабного фактора (холодильная
мощность) на потери в ТН.
Для углубленного анализа
термодинамической эффективности
установки и, в частности, влияния
на эксергетические потери мас-
штабного фактора необходимо ис-
пользовать эксергетический коэф-
фициент преобразования ЕРС 14,
который представляет собой отно-
шение доли потребляемой электри-
ческой мощности компрессора, за-
траченной на трансформацию теп-
ла, к доле мощности привода, за-
траченной на преодоление термо-
гидравлической необратимости в
цикле
1/1
1/
s21
s21
ТT
ТT
EPC
w
w .
На рис. 4 представлены зна-
чения коэффициента ЕРС, полу-
ченные при различных соотноше-
ниях Tw1/Ts2. Линиями на рисунке
показаны эталонные значения ЕРС,
где ε вычислен с использованием
регрессионного выражения (3),
точками – значения, полученные по
данным мониторинга в реальном
режиме эксплуатации ТН при тем-
пературах Tw1 от 300 до 313 К.
Анализ ЕРС (рис. 4) пока-
зал, что реальные его значения существенно меньше эталонных. Это говорит о том, что мощности на
преодоление термогидравлической необратимости в реальных условиях эксплуатации затрачивается
больше, что по нашему мнению может свидетельствовать о возможной работе установки в недогру-
женном режиме ввиду неправильной регулировки производительности. Для этого режима, как из-
вестно, характерно увеличение внутренней диссипации энергии в цикле и, как следствие, повышен-
ное потребление мощности привода компрессора.
Для подтверждения предположения о том, что тепловой насос, возможно, эксплуатируется в
недогруженном режиме, нами был проведено сравнение статических характеристик Q0 = f(Tw1, Ts1) и
Nкм = f(Tw1, Ts1) в эталонном и реальном режимах (рис. 5). Маркерами на рис. 5 показаны реальные
характеристики, пунктирными линиями – эталонные. Из рис. 5 видно, что при одинаковых парамет-
рах на входе Ts1 и Tw1 реальные значения холодильной мощности значительно ниже тех характери-
стик, которые должны быть при 100%-й загрузке, что свидетельствует о недогруженном режиме.
140
190
240
290
340
390
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Q0, кВт
Тs1,
oC
Тw1=40,7oC
Тw1=39,1oC
Тw1=40,8oC
Тw1=40,8oCТw1=39,1oC
Тw1=38,7oC
а)
110
115
120
125
130
135
140
145
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N, кВт
Тs1,
oC
Тw1=40,7oC
Тw1=39,1oCТw1=40,8oC
Тw1=39,1oC
Тw1=38,7oC
б)
Рис. 5 Статические характеристики ТН VMN430L:
а) – Q0 = f(Tw1, Ts1); б) – Nкм = f(Tw1, Ts1)
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 19
На рис. 6 представлен график потреб-
ления электроэнергии на привод компрессора
в процентах %100
кмкм NNN част.нагр. при
различном проценте холодильной нагрузки
ТН %10000 QQQ част.нагр.
0
. Здесь част.нагр.
0
Q ,
част.нагр.
кмN – холодопроизводительность и
мощность привода компрессора при работе
ТН с частичной загрузкой; Q0, Nкм – при
100%-й загрузке.
На рис. 6 приняты следующие обозна-
чения: линия 1– теоретические характеристи-
ки, полученные по методике расчета статиче-
ских характеристик ТН [15]; линии 2 – харак-
теристики, полученные по регрессионной за-
висимости (4); 3 – реальные характеристики, полученные по данным мониторинга ТН (рис. 1, 2).
Анализ рис. 6 показал, что для рассматриваемой модели ТН VMN430L режимы эксплуатации
с частичной загрузкой приводят к повышенному энергопотреблению, о чем свидетельствует суще-
ственное расхождение между теоретической характеристикой (линия 1) и реальными значениями
(линии 2).
Выводы
Предложенная в работе методика проведения мониторинга ТН позволяет в режиме реального
времени осуществлять термодинамическое тестирование работы установки по ограниченному объему
замеряемых параметров, в том числе и в режиме работы с частичной нагрузкой.
Суть методики состоит том, что на основе статистической обработки данных каталогов про-
изводителей относительно степени термодинамического совершенства чиллеров и тепловых насосов
формируется регрессионная зависимость для определения потерь от необратимости в цикле данной
установки. Эта зависимость выступает в качестве эталонной характеристики ТН при его диагностике
в режиме реального времени, при наличии только данных о температурах теплоносителей на входе в
испаритель и конденсатор, а также показаний тепло- и электросчетчиков.
Проведенный мониторинг работы ТН VMN430L в системе отопления административного
здания показал, что данная модель преимущественно эксплуатировалась в режиме частичной нагруз-
ки. Это приводило к существенному увеличению величины внутренней диссипации энергии в цикле
и, как следствие, повышенному энергопотреблению. Так, при уменьшении холодопроизводительно-
сти на 50% относительно режима полной нагрузки эксергетические потери изменялись всего на 1%.
Кроме того, при одновременном понижении температуры наружного воздуха до 0 С и ниже и повы-
шении его влажности до 85% заметно снижалась эффективность ТН. Таким образом, проведенный
мониторинг показал неэффективность данной модели ТН. Кстати, следует отметить, что выявленные
в результате расчетно-экспериментального тестирования недостатки уже не характерны для совре-
менного поколения чиллеров и ТН (например, чиллеры Clivet, Trane).
Литература
1. Клепанда, А. С. Методика мониторинга термодинамической эффективности теплового насоса/
А. С. Клепанда, В. А. Тарасова, Ю. В. Бережко// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. –
2014. – № 2/8 (68). – С. 3–8.
2. Бродянский, В. М. Доступная энергия Земли и устойчивое развитие систем жизнеобеспечения. 2. Ресурсы
Земли / В. М. Бродянский // Техн. газы. – 2011. – № 3. – С. 48–65.
3. Системно-структурный анализ парокомпрессорных термотрансформаторов / Ю. М. Мацевитый,
Э. Г. Братута, Д. Х. Харлампиди, В. А. Тарасова. – Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2014.– 269 с.
4. Adam, W. Fault Detection and Diagnostics for Commercial Coolers and Freezers/ W. Adam, E. James // Herrick
Laboratories, School of Mechanical Engineering, Purdue University, West Lafayette. USA, July 14-17, 2008. –
P. 1–10.
50
60
70
80
90
100
50 60 70 80 90 100
N , %
Q 0, %
1
2
3
T w 1=307 K
T w 1=313 K
Рис. 6. ЗависимостьN отQ0 для ТН VMN430L
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 20
5. Nooman, A. M. Fault Detection and Diagnosis in Air Conditioners and Refrigerators/ A. M. Nooman, N. R. Miller,
C. W. Bullard // Air Conditioning and Refrigeration Center University of Illinois Mechanical & Industrial Engineer-
ing Dept. – 1999. – P. 101.
6. Grimmelius, H. T. On-line failure diagnosis for compression refrigeration plants / H. T. Grimmelius, J. K. Woud,
G. Been // Int. J. Refrigeration. – 1995. – Vol. 18. – P. 31–41.
7. Rossi, T. M. A statistical rule-based fault detection and diagnostic method for vapor compression air conditioners /
T. M. Rossi, J. E. Braun // HVAC&R Research. – 1997. – Vol. 3. – P. 19–37.
8. Li, H. A Methodology for Diagnosing Multiple Simultaneous Faults in Vapor-Compression Air. Conditioners/
H. Li, J. E. Braun // HVAC&R Research. – 2007. – Vol. 13. – P. 369–395.
9. Piacentino, A. Critical analysis of conventional thermoeconomic approaches to the diagnosis of multiple faults in air
conditioning units: capabilities, drawbacks and improvement directions. A case study for an air-cooled system with
120 kW capacity / A. Piacentino, M. Talamo// Int. J. Refrigeration. – 2013. – Vol. 36, № 1. – P. 24–44.
10. Gordon, J. M. Thermodynamic Modeling of Reciprocating Chillers / J. M. Gordon, K. S. Ng // J. Appl. Phys. –
1994. – Vol. 75. – P. 2769–2779.
11. Gordon, J. M. Centrifugal chillers: Thermodynamic modeling and diagnostics case study / J. M. Gordon, K. S. Ng,
H. T. Chua // Int. J. Refrigeration. – 1995. – Vol 18 (4). – P. 253–257.
12. Gordon, J. M. Cool Thermodynamics. The Engineering and Physics of Predictive, Diagnostic and Optimization
Methods for Cooling Systems / J. M. Gordon, K. S. Ng. – Cornwall. England: MPG Books Ltd, 2001. – 276 р.
13. Андронов, А. М. Теория вероятностей и математическая статистика/ А. М. Андронов, Е. А. Копытов,
Л. Я. Гринглаз. – СПб.: Питер, 2004. – 461 с.
14. Ust, Y. Analysis of a vapor compression refrigeration system via exergetic performance coefficient criterion/ Y. Ust,
A. V. Akkaya, A. Safa // J. Energy Inst. – 2011. – Vol. 84 (2). – P. 66–72.
15. Steady-State Simulation of Vapor-Compression Heat Pump / T. B. Herbas, E. C. Berlinck, C. A. Uriu et al. // Int. J.
Ener. Res. – 1993. – Vol. 17.– P. 801–816.
Поступила в редакцию 01.03.16
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99256 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T12:09:32Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Тарасова, В.А. 2016-04-25T16:59:54Z 2016-04-25T16:59:54Z 2016 Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов / В.А. Тарасова // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 13-20. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99256 621.577 Предложена новая методика тестирования термодинамической эффективности теплового насоса, которая позволяет по ограниченному числу замеряемых параметров оценить энергоемкость выработанного тепла. С использованием энтропийно-статистического подхода Гордона–Нджу сформирована полуэмпирическая термодинамическая модель, позволяющая учесть реальную величину внутренней диссипации энергии в цикле и оценить эффективность теплового насоса при работе с частичной нагрузкой. Создан программный комплекс по обработке результатов мониторинга теплонасосной системы тепло- и холодоснабжения административного здания в режиме реального времени. По результатам тестирования работы теплового насоса VMN430L выявлено, что он эксплуатируется в режиме неполной загрузки (80%). Это приводит к увеличению потерь от необратимости в цикле на 7,3÷10% по сравнению с режимом полной загрузки. Запропоновано нову методику тестування термодинамічної ефективності теплового насоса, яка дозволяє за обмеженим числом параметрів, що заміряються, оцінити енергоємність виробленого тепла. З використанням ентропійно-статистичного підходу Гордон-Нджу сформовано напівемпіричну термодинамічну модель, яка дозволяє врахувати реальну величину внутрішньої дисипації енергії в циклі і оцінити ефективність теплового насоса при роботі у режимі з частковим навантаженням. Створено програмний комплекс для обробки результатів моніторингу теплонасосної системи тепло- і холодопостачання адміністративної будівлі в режимі реального часу. За результатами тестування роботи теплового насоса VMN430L виявлено, що він експлуатується в режимі з неповним навантаженням (80%). Це призводить до збільшення втрат від незворотності в циклі на 7,3÷10% в порівнянні з режимом повного завантаження. Proposed the methodology of monitoring of heat pump allows real-time to exercise thermodynamic testing of the heat pump for a limited amount of measured parameters, including operation at partial load. The essence of the technique is that on the basis of data thermodynamic efficiency statistics catalogs of manufacturers of chillers and heat pumps the regression equation is formed for determine the loss of irreversibility in the cycle. This relationship serves as the reference characteristics of heat pump for his diagnosis in real time, with only available data on the coolant temperature at the inlet of the evaporator and condenser, as well as indications of heat and electricity. Monitoring of the heat pump VMN430L in the heating system of the office building showed that this model is mainly operated in partial load operation. This led to a substantial increase in the amount of internal energy dissipation in the cycle and as a result increased power consumption. While reducing the cooling capacity by 50% with respect to full load the irreversibility losses varied by only in 1%. In addition, while raising the temperature of ambient air and below 0 °C and increasing its humidity to 85% significantly reduces the effectiveness of heat pump. Thus, our monitoring showed the ineffectiveness of this model. By the way, it should be noted that revealed by the settlement and pilot testing shortcomings are not typical for the current generation of chillers and heat pumps (for example, chillers Clivet, Trane). ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Теплопередача в машиностроительных конструкциях Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов Numerical and experimental study of the thermodynamic efficiency of heat pumps Article published earlier |
| spellingShingle | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов Тарасова, В.А. Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| title | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов |
| title_alt | Numerical and experimental study of the thermodynamic efficiency of heat pumps |
| title_full | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов |
| title_fullStr | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов |
| title_full_unstemmed | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов |
| title_short | Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов |
| title_sort | расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности тепловых насосов |
| topic | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| topic_facet | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99256 |
| work_keys_str_mv | AT tarasovava rasčetnoéksperimentalʹnoeissledovanietermodinamičeskoiéffektivnostiteplovyhnasosov AT tarasovava numericalandexperimentalstudyofthethermodynamicefficiencyofheatpumps |