[1]Для оценки эффективности работы тепловых насосов (ТН) необходимо проведение их стендовых термодинамических исследований.
[2]Существуют различные конструкции стендов для изучения характеристик ТН.
[3]Так, разработан и построен стенд для испытаний ТН [1]. Стенд предназначен для изучения влияния различных теплоносителей на теплотехнические характеристики ТН. В состав стенда входит компрессор, конденсатор, испаритель, ресивер со смотровой трубкой, фильтр-осушитель, электромагнитный вентиль, терморегулирующий вентиль. На стенде установлена система контроля параметров установки в процессе проведения экспериментов и автоматического снятия показаний с датчиков, размещенных на стенде.
[4]Однако в данном стенде отсутствует возможность регулирования температуры хладагента на входе в компрессор. Между тем термодинамические характеристики теплоносителя, подающегося в компрессор, в значительной степени влияют на эффективность работы как самого компрессора ТН, так и всей теплонасосной установки (ТНУ).
[5]Известна экспериментальная установка для исследования режимов работы ТН [2]. В состав установки входят испаритель, конденсатор, компрессор, ресивер, емкости с охлаждаемой и нагреваемой водой; насос для перекачки воды, дроссельный вентиль и электронагреватели воды. При работе стенда с помощью электронагревателей меняется температура соответственно низкопотенциального теплоносителя в емкости, связанной с испарителем и температура охлаждающей воды (обратки) в емкости, связанной с конденсатором. Температура теплоносителей в испарителе и конденсаторе регистрируется с помощью термометров сопротивлений и моста сопротивлений. Изменяются температуры теплоотдатчика и теплоприемника и на основе выполненных измерений строятся графоаналитические зависимости температуры воды на выходе из конденсатора от температуры теплоотдатчика.
[6]В установке не предусмотрена возможность регулирования температуры теплоносителя на входе в компрессор, тем самым существенно ограничиваются объемы исследований, связанных с эффективностью работы компрессора ТН.
[7]Наиболее близким техническим устройством к предлагаемому является стенд для испытаний тепловых насосов (авторское свидетельство SU 1416819 А1) [3]. Стенд содержит компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль, испаритель, первый, второй и третий циркуляционные контуры для низкопотенциального теплоносителя разной температуры с емкостями и насосами. Стенд также содержит теплообменник-охладитель, установленный в тепловом насосе между конденсатором и вентилем. Такая конструкция обеспечивает возможность работы стенда в широком диапазоне температур низкопотенциального теплоносителя и позволяет определять влияние этих температур на эффективность ТН. Переход на новый температурный режим приводит к изменению температуры конденсации и испарения рабочего тела в конденсаторе и испарителе.
[8]Однако конструкция стенда не позволяет осуществлять регулирование температуры рабочего тела, поступающего в компрессор ТН. В результате значительно сокращаются возможности исследования и поиска оптимальных режимов работы компрессора.
[9]Задачей изобретения является обеспечение возможности регулирования и управления параметрами теплоносителя как на выходе из конденсатора, так и на выходе из испарителя ТН с целью экспериментального исследования влияния этих параметров хладагента на эффективность работы бытовых ТН.
[10]Указанная задача решается за счет того, что стенд для исследования параметров функционирования теплового насоса содержит последовательно расположенные испаритель, компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль, теплообменник-охладитель хладагента, установленный между конденсатором и регулирующим вентилем, а также внешний контур в виде емкости для низкопотенциального теплоносителя и с возможностью регулирования температуры низкопотенциального теплоносителя, а также внутренний контур в виде емкости для высокопотенциального теплоносителя и с возможностью регулирования температуры высокопотенциального теплоносителя и отличается тем, что, с целью регулирования температуры хладагента на входе в компрессор, стенд дополнительно содержит теплообменник-перегреватель хладагента, установленный между испарителем и компрессором.
[11]Теплообменник-перегреватель хладагента может быть выполнен в виде цилиндрического ресивера, а нагрев хладагента в теплообменнике-перегревателе может осуществляться за счет подвода через стенки ресивера тепловой энергии от закрепленных на внешней поверхности ресивера пленочных электронагревателей. Теплообменник-охладитель хладагента может быть выполнен в виде ресивера с плоскими боковыми поверхностями, а охлаждение хладагента в теплообменнике-охладителе может осуществляться через стенки ресивера путем отвода тепловой энергии с помощью элементов Пельтье, закрепленных на внешних боковых поверхностях ресивера.
[12]Емкость для низкопотенциального теплоносителя внешнего контура может иметь плоские боковые поверхности. Охлаждение низкопотенциального теплоносителя в емкости внешнего контура может осуществляться через стенки емкости с помощью элементов Пельтье, закрепленных на внешней поверхности емкости. Нагрев низкопотенциального теплоносителя в емкости внешнего контура может осуществляться через стенки емкости с помощью пленочных электронагревателей, закрепленных на внешней поверхности емкости.
[13]При этом управление работой пленочных электронагревателей и элементов Пельтье стенда может осуществляться с помощью программируемого контроллера.
[14]Принципиальная схема стенда представлена на фиг.
[15]Стенд состоит из испарителя 2, компрессора 3, конденсатора 4, регулирующего вентиля 1, теплообменника-охладителя хладагента 5, установленного между конденсатором 4 и регулирующим вентилем 1, теплообменника-перегревателя хладагента 6, установленного между испарителем 2 и компрессором 3.
[16]Теплообменник-охладитель хладагента 5 выполнен в виде ресивера с плоскими боковыми поверхностями, на которых с внешней стороны закреплены элементы Пельтье 7. Теплообменник-перегреватель хладагента 6 выполнен в виде цилиндрического ресивера, на внешней поверхности которого закреплены пленочные электронагреватели 8. Управление уровнем охлаждения и нагревания поверхностей ресиверов 5 и 6 производится от контроллера 9, а регистрация температуры в узлах стенда осуществляется соответственно термопарами с, d и е. Подвод электроэнергии от внешнего источника (на фиг. не показано) к элементам Пельтье 7 и пленочным электронагревателям 8 осуществляется через контроллер 9 с помощью электропроводов а и в. Измерение давления хладагента в узлах стенда производится манометрами 10, 11 и 12.
[17]Внутренний контур выполнен в виде емкости 13 для высокопотенциального теплоносителя (отопительной воды). Емкость 13 связана с емкостью конденсатора 4 через вентиль 14. Внутренний контур также может быть выполнен в виде отопительной батареи (на фиг. не показано). После вентиля 14 установлен жидкостной насос 16 для обеспечения циркуляции высокопотенциального теплоносителя.
[18]Внешний контур выполнен в виде емкости 15 с плоскими боковыми поверхностями. Внутри емкости 15 находится низкопотенциальный теплоноситель (вода). На внешней поверхности емкости 15 закреплены элементы Пельтье 17 для охлаждения низкопотенциального теплоносителя и пленочные электронагреватели 18 для нагрева низкопотенциального теплоносителя. Внутри емкости 15 также размещен испаритель 2 в форме трубчатого змеевика и электромешалка (на фиг. не показано) для перемешивания низкопотенциального теплоносителя. Элементы Пельтье 17 и пленочные электронагреватели 18 также подключены к контроллеру 9 для осуществления электропитания через двухжильный электропровод k, а регистрация температуры в емкости 15 осуществляется термопарой i через контроллер 9. Стенд работает следующим образом.
[19]Устанавливается необходимый уровень температуры низкопотенциального теплоносителя в емкости 15. Для этого включается контроллер 9, по командам которого осуществляется управление работой закрепленных на внешней поверхности емкости 15 пленочных электронагревателей 18 для нагрева низкопотенциального теплоносителя и/или элементов Пельтье 17 для охлаждения низкопотенциального теплоносителя (в зависимости от текущего опыта в данном эксперименте, который предварительно планируется).
[20]Низкопотенциальный теплоноситель нагревает находящийся в испарителе 2 хладагент, который в виде паров начинает поступать в теплообменник-перегреватель 6.
[21]Открывается вентиль 14, включается жидкостной насос 16 и начинается циркуляция высокопотенциального теплоносителя (отопительной воды) между емкостью конденсатора 4 и емкостью 13 внутреннего контура.
[22]По командам контроллера 9 осуществляется управление работой пленочных электронагревателей 8 для нагрева хладагента в теплообменнике-перегревателе 6 и элементов Пельтье 7 для охлаждения хладагента в теплообменнике-охладителе 5. Пары хладагента из теплообменника-перегревателя 6, подогретые пленочными электронагревателями 8, закрепленными на внешней поверхности теплообменника-перегревателя 6, поступают в компрессор 3, где сжимаются, а затем сжатые пары хладагента поступают в конденсатор 4, где охлаждаются, передавая часть своей тепловой энергии высокопотенциальному теплоносителю (отопительной воде). Из конденсатора 4 хладагент поступает в теплообменник-охладитель 5, где дополнительно охлаждается с помощью элементов Пельтье 7, закрепленных на внешней поверхности теплообменника-охладителя 5, а затем, через регулирующий вентиль 1, хладагент вновь подается на вход испарителя 2, находящегося в емкости 15.
[23]Регулирование температуры хладагента в теплообменнике-охладителе 5 и в теплообменнике-перегревателе 6 в процессе испытаний создает условия для определения оптимальных режимов работы теплового насоса и его основных узлов, а также позволяет исследовать эффективность использования в тепловых насосах различных видов хладагентов.
[24]Предлагаемая конструкция стенда существенно расширит возможности исследования параметров функционирования бытовых ТН.
[25]Используемая литература:
[26]1. Сухих А.А. Генералов К.С., Акимов И.А. «Испытание теплового насоса для теплоснабжения индивидуального дома» (журнал «Новости теплоснабжения» №197 (01.2017 г.)).
[27]2. http://www.poisk-ru.ru/s1266t1.html
[28]Квеладзе З.Д., Козырев Д.В., Низамутдинов Р.Ж. «Экспериментальная установка для исследования режимов работы теплового насоса» (Южно-Уральский аграрный университет).
[29]3. Авторское свидетельство на изобретение SU 1416819 А1 «Стенд для испытаний тепловых насосов» (опубл. в бюлл. №30 от 15.08.88).
