Реферат: Кондиционирование загородного дома
Введение
Энергосбережение – одна из основных проблем, решаемыхмировым сообществом в настоящее время. Преследуются две основные цели –сохранение не возобновляемых энергоресурсов и сокращение вредных выбросов ватмосферу продуктов сгорания, являющихся, в частности, основным факторомглобального потепления.
В связи с этим заметное развитие получает такназываемая «нетрадиционная энергетика». Ее технологии экономически чисты иприменяют в большей степени возобновляемые источники энергии. К ним относятсясолнечная, ветровая и геотермальная энергия, энергия биомассы, гидроэнергетика,получающая дальнейшее развитие в новых направлениях.
В этой области особое место занимают тепловые насосы(термотрансформаторы), преобразующие низкопотенциальную тепловую энергию и позволяющиечерпать эту энергию из окружающей среды. Среди указанных выше направленийнетрадиционной энергетики тепловые насосы в настоящее время получили наибольшееприменение.
Наиболее распространенный тип тепловых насосов (ТН) –так называемые парокомпрессионные ТН, принцип действия которых основан наосуществлении обратноготермодинамического цикла рабочего вещества, в котором теплота отнимаетсянизкопотенциального источника (ИНТ) и переносится на более высокий уровень(передается греющей среде, ИВТ) за счет подвода механической энергии вкомпрессоре, сжимающем парообразное рабочее вещество.
По существу тепловыми насосами являются большинствошироко распространенных холодильных машин, в том числе бытовых холодильников,так как они по тому же принципу отнимают теплоту от охлаждаемого объекта и приболее высокой температуре отдают ее окружающей среде. Тепловые насосы всравнении с холодильными машинами работают в диапазоне более высоких рабочихтемператур. Это, однако, не мешает использовать в тепловых насосах ихолодильных машинах одни и те же базовые элементы (компрессоры, теплообменныеаппараты и т.д.), а также одни и те же родственные или родственные рабочиевещества. Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило,создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно изважных пересечений техники низких температур с энергетикой.
1. Выбор и обоснование исходныхданных
Температура кипения: t0= 5°С
Температураконденсации: tк= 69°С
Температура водына входе в конденсатор: tw1= 33°С
Температура водына выходе из конденсатора: tw2= 60°С
Температура водына входе в испаритель: ts1= 10°С
Температура водына выходе из испарителя: ts2= 8°С
Выборхладагента
В процессе эксплуатации тепловых насосов (холодильныхустановок), содержащих различные хладоны в качестве рабочего тела, сталоочевидно негативное влияние данного типа хладагентов на окружающую среду. Восновном воздействие хладонов сказывается на повышении парникового эффекта иразрушении озонового слоя Земли.
Парниковый эффект заключается в том, что газы,входящие в состав земной атмосферы, задерживают инфракрасное излучениеповерхности Земли. Это приводит к повышению температуры поверхности нашейпланеты и поддержанию климата, благоприятного для жизни растений, животных ичеловека. Основной вклад в парниковый эффект вносят пары воды, содержащиеся ватмосфере. Однако в поледнее время, в связи с научно-техническим прогрессом,заметное влияние на величину парникового эффекта стали оказывать продукты деятельностичеловека и особенно углекислый газ, а также хлорсодержащие углероды. Врезультате парниковый эффект усиливается, что может привести к губительномуповышению средней температуры поверхности Земли.
Мерой воздействия различных веществ на парниковый эффектпринято оценивать с помощью потенциала глобального потепления GWP(GlobalWarmingPotential), характеризующийстепень потепления атмосферы Земли за 100 лет при воздействии только данноговещества. За точку отсчета принято значение потенциала глобального потеплениядля хладагента R11:GWP(R11) =1. Значения потенциаловглобального потепления для наиболее распространенных в настоящее времяхладагентов приведены в таблице 1.
Марка фреона
GWP
R11
1,0
R12
2,8…3,4
R114
3,7…4,1
R22
0,32…0,37
R125
0,51…0,65
R134a
0,24…0,29
R142b
0,34…0,39
R143a
0,72…0,76
R152a
0,026…0,03
R404a
0,64
Таблица 1. Значения потенциалов глобальногопотепления
Более полным показателем влияния теплового насоса (холодильной установки)на потепление климата планеты является показатель TEWI (TotalEquivalentWarmingImpact), который учитывает нетолько парниковый эффект используемого хладагента, но и потребление энергиитепловым насосом (холодильной установкой) за весь период эксплуатации.
Для определения показателя TEWI используется следующая зависимость:
TEWI= GWP· М + α · В, где
GWP – коэффициентглобального потепления
М – общая масса хладагента, выброшенная в атмосферу при эксплуатации иутилизации холодильной установки, кг
α – количество двуокиси углерода (СО2), выбрасываемое в атмосферу при производстве1кВт··ч энергии, кг/кВт · ч
В – суммарноепотребление энергии холодильной установкой за весь период эксплуатации, кВт
Другим вреднымвоздействием хладонов на окружающую среду является разрушение озонового слояатмосферы. Озоновый слой выполняет важнейшую функцию поддержания жизни наЗемле: поглощает до 99% жесткого ультрафиолетового излучения, поступающего отСолнца. Молекулы хлоруглеродов поднимаются на высоты 20…45 км от земной поверхностии разлагаются под воздействием ультрафиолетового излучения с образованиематомов хлора. Атомы хлора вступают в химическую реакцию с молекулами озона собразованием кислорода и окиси хлора. Исследования, проведенные в даннойобласти, показали, что одна молекула хлора в состоянии разрушить до100 000 молекул озона. Это приводит к уменьшению толщины защитногоозонового слоя Земли.
Эффектразрушения озонового слоя Земли количественно оценивается потенциалом обедненияозонового слоя ODP(OzoneDepletionPotention).За точку отсчета принято значение потенциала обеднения озонового слоя дляфреона R11: ODP(R11) =1. По степенивоздействия на озоновый слой все хладагенты подразделяются на 3 группы:
— хладагенты свысокой озоноразрушающей активностью (ODP≥1). К этой категорииотносятся хлорфторуглероды (CFC): R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 идругие;
— хладагенты снизкой озоноразрушающей активностью (ODP≤1). К этой категорииотносятся гидрохлорфторуглероды (HCFC): R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 идругие;
— полностьюозонобезопасные хладагенты. К этой категории относятся все фреоны, молекулыкоторых не содержат атомов хлора (фторуглероды FC, гидрофторуглероды HFC,углеводороды НС и другие).
Такимихладагентами являются: R125, R134, R134a, R143a, R152a, R23, R32, R116, R218, R318, R404A, R600, R600a, R717 идругие.
Значенияпотенциалов обеднения озонового слоя для наиболее распространенных хладагентовприведены в таблице 2.
Таблица 2. Значения потенциалов обеднения озонового слоя.
Марка фреона
ODP
R11
1,0
R12
0,9…1,0
R114
0,6…0,8
R22
0,04…0,06
R125
R134a
R142b
0,05…0,06
R143b
R152a
R404A
Для уменьшения негативного влияния хлорсодержащих хладагентов наокружающую среду мировое сообщество выработало ряд мер, ограничивающихпроизводство и применение этих хладагентов:
— ускоренное принятие мер по полной остановке производства хладагентовкатегории CFC(хлорфторуглеродов);
— постепенное сокращение, вплоть до полного прекращения, производствапереходных хладагентов категории НСFС (гидрохлорфторуглеродов).
Помимо экологических, хладагент должен отвечать целому рядутеплофизических и конструкциооных требований, основными и з которых являются:
— химическая стабильность и инертность
— нетоксичность
— приемлемые значения критических параметров и нормальной температурыкипения
— малая вязкость
— сравнительно высокая теплопроводность
— способность растворять смазочные масла
— высокая диэлектрическая прочность
— низкая температура замерзания
— совместимость с применяемыми в холодильном машиностроении материалами
— невысокая стоимость
2.Обоснование принципиальной схемыи принятого оборудования.
Темой диплома является установка, которая зимойработает, как тепловой насос, а летом, как холодильная машина. В состав ее входятвинтовой компрессор, регенеративный теплообменник, кожухотубные испарительиконденсатор, конденсатор воздушного охлаждения.
В схеме с регенеративным теплообменником часть теплаотводится от конденсата перед дроссельным вентилем парам хладагента, выходящимиз испарителя. Благодаря этому увеличивается удельная холодопроизводительностьи эффективность цикла. Также, теплообменник необходим для подогрева пара,идущего из испарителя для снижения вероятности влажного хода компрессора. Врегенеративном теплообменнике производится переохлаждение жидкости послеконденсатора, что позволяет более эффективно использовать поверхностьтеплообмена конденсатора без его затопления. Переохлаждение жидкостиувеличивает эффективность установки.
Винтовые компрессоры конкурируют с другими типамиобъемных компрессорных машин. Отсутствие клапанов и неуравновешенныхмеханических сил обеспечивает винтовым компрессорам возможность работать свысокими частотами вращения, т.е. получать большую производительность присравнительно небольших внешних габаритах.
Пластинчатый теплообменник, конденсатор воздушногоохлаждения, кожухотрубный конденсатор и испаритель имеют компактные размеры иемкость по хладагенту при развитой поверхности теплообмена. Это позволяетсоздать установку большой производительности при небольших размерах.
Принцип работы схемы:
Пары холодильного агента, выходящие из кожухотрубногоиспарителя, перегреваются в регенеративном теплообменнике, затем поступают вкомпрессор. В компрессоре пары сжимаются с давления кипения до давления конденсации,и направляется в кожухотрубный конденсатор или в конденсатор воздушногоохлаждения в зависимости от теплого и холодного периода года, где парконденсируется водой. Жидкий холодильный агент после конденсатора проходитрегенеративный теплообменник, где он переохлаждается, отдавая теплоту парунизкого давления. Далее жидкость дросселируется в ТРВ с давления конденсации додавления кипения, затем поступает в испаритель, где жидкость кипит, циклповторяется.
Установка работает на хладагенте R134а.
Рассмотрим принципиальные схемы установки:
1. Простейшая
2. С регенерацией
Обозначение:
КМ – компрессор
КВО – конденсаторвоздушного охлаждения
И- испаритель
ТРВ – терморегулирующийвентиль
ТО – теплообменник
КВдО – конденсатор водяногоохлаждения
Хладон R134а
Температура водына входе в конденсатор: tw1= 33°С
Температура водына выходе из конденсатора: tw2= 60°С
Температура водына входе в испаритель: ts1= 10°С
Температура водына выходе из испарителя: ts2= 8°С
Температура кипения: t0= 5°С
Температураконденсации: tк= 69°С
а).Принципиальнаясхема (простейший цикл)
Изображениерасчетного цикла в диаграмме i-P
1-2 – процесссжатия паров фреона в компрессоре;
2-3 – процесс охлаждения,конденсации и переохлаждения фреона в конденсаторе;
3-4 – процессдросселирования фреона в ТРВ;
4-1 – процесскипения жидкого фреона в испарителе;
Параметры точекцикла приведены в таблице.
Номер точек
цикла
Температура,
°С
Давление,
кПа
Энтальпия,
кДж/кг
Удельный объем,
м³/кг
1=6
+10
349,8
254
0,073
2
+79,5
2067,6
291,7
3=4
+67
2067,6
147,5
5
+5
349,8
254
б). Цикл с регенерацией
Изображение расчетного цикла в диаграмме i-P
1-2 – процесссжатия паров фреона в компрессоре;
2-4 – процессохлаждения, конденсации и переохлаждения фреона в конденсаторе;
4-5 – процессдросселирования фреона в ТРВ;
5-6 – процесскипения жидкого фреона в испарителе;
6-1 – процессперегрева паров фреона в регенеративном теплообменнике.
Параметры узловыхточек цикла приведены в таблице.
Номер точек
цикла
Температура,
°С
Давление,
кПа
Энтальпия,
кДж/кг
Удельный объем, м³/кг
1
+67
349,8
307,1
0,0769
2
+132,1
2067,6
356,2
3
+67
2067,6
120,6
4
+32,7
2067,6
95,4
5
+5
349,8
95,4
6
+10
349,8
254
Выбираем цикл срегенерацией для зимнего периода.
2.1.Расчет схемы установки:
2.1.1. Удельнаямассовая холодопроизводительность:
q0=
2.1.2. Удельнаяобъемная холодопроизводительность:
qv=
2.1.3. Удельнаямассовая теплопроизводительность:
qк=
2.1.4. Удельнаяобъемная теплопроизводительность:
qkv=
2.1.5. Работасжатия
2.1.6.Действительная работа
lд=
2.1.7. Степеньповышения давления
π=
2.1.8. Коэффициент преобразования цикла Карно по внешним параметрам
2.1.9. Коэффициент преобразования цикла Карно по внутренним параметрам
2.1.10. Коэффициент преобразования теоретического цикла
3. Определение основных характеристик теплового насоса
3.1. Теплопроизводительность
3.2. Холодопроизводительность
3.3. Количество фреона, циркулирующего через элементы теплового насоса вединицу времени
3.4. Потребляемая мощность компрессора
3.5. Индикаторная мощность компрессора
3.6. Эффективная мощность компрессора
3.7. Электрическая мощность компрессора
4.Эффективный КПД преобразования и степень совершенства цикла
4.1. Эффективный КПД преобразования
4.2. Степень совершенства цикла по внешним параметрам
4.3. Степень совершенства цикла по внутренним параметрам
4.4. Степень совершенства теплового насоса по отношению к теоретическомуциклу
4.5.1.Расход масла, впрыскиваемого в полость винтового компрессора
4.5.2. Относительный массовый расход масла, подаваемого на впрыск
Схема автоматизации:
Системаавтоматической защиты включает в себя приборы защиты и схему автоматическойзащиты.
Приборы защитыконтролируют следующие технологические величины:
— реле низкого давления РД1 – давление всасывания компрессора;сигнал защиты от понижения давления;
— реле низкого давления РД2 – давление нагнетания компрессора;сигнал защиты при повышении давления;
— термореле ТР2 – температуру нагнетания компрессора; сигналзащиты при превышении температуры;
— прибор ЭП – температуру обмотки статора встроенного электродвигателя;сигнал защиты при превышении температуры.
Для изменения давлений всасывания и нагнетания предназначенымоновакууметры МВ1, МВ2.
Регулирование производительности осуществляется методом «пуска иостановки» по температуре воды на выходе из конденсатора.
1.Расчет теплопотерь через ограждения в помещении.
Потери теплачерез ограждения определяются по следующей формуле:
Q0=F/Rx (tв–tн)(1+Σβ) х n,
где
F– расчетная площадь ограждения, м²;
tв– температура внутреннего воздуха, ºС;
tн– температура наружного воздуха, ºС;
n– коэффициент, зависящий от расположения наружногоограждения,
R– термическое сопротивление ограждения, определяемое втеплотехническом расчете,
β –коэффициент, учитывающий добавочные потери теплоты через ограждения.
Потери теплотычерез пол, расположенный на лагах, рассчитывают по зонам. Площадь пола делят начетыре зоны, параллельные наружной стене. Отсчет ведут от внутреннейповерхности наружной стены. Ширина каждой из первых трех зон составляет 2м, IVзонаохватывает остальную часть поверхности пола. Часть площади первой зоны,примыкающую к наружному углу помещения, учитывают дважды вследствие повышенныхпотерь ьеплоты через эту часть пола.
Для каждой зонынеутепленного пола принимают следующие значения термического сопротивления R:
Iзона – RI=2,1 (м²·ºС)/Вт,
IIзона — RII=4,3 (м²·ºС)/Вт,
IIIзона — RIII=8,63 (м²·ºС)/Вт,
IVзона — RIV=14,2 (м²·ºС)/Вт.
Термическоесопротивление утепленных полов определяют с учетом термического сопротивленияутепляющего слоя Rут:
Rу= Rзоны+Rут,
Rут=
δут ,λут – тлщина и коэффициент теплопроводности утепляющегослоя.
В данном дипломном проекте разрабатывается кондиционирование двухэтажногодома. Пол 1 этажа выполнен утепленным на лагах. Высота уровня пола 1 этажа доуровня 2 этажа – 4м.
tн=-28ºС
tв=22ºС во всех комнатах одинаковая
Расчет коэффициентов теплопередачи
Коэффициент теплопередачи через наружные стены
Конструкция наружной стены:
Толщина слоя δ, мм
Коэффициент теплопроводности λ,
Вт/м·К
Штукатурка
10
0,9
ПСБ-С
50
0,047
Бетон
150
1,2
ПСБ-С
50
0,047
Штукатурка
5
0,9
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкцииαн=23,3Вт/(м²·ºС)
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкцииαв=8 Вт/(м²·ºС)
Коэффициент теплопередачинаружных стен
k=
Коэффициент теплопередачи через покрытие
Толщина слоя δ, мм
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м·К
Медь рулонная
0,6
384
Утеплитель
160
0,035
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкцииαн=23,3Вт/(м²·ºС)
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкцииαв=6 Вт/(м²·ºС)
Коэффициент теплопередачи дляпокрытия
k=
1.1.Столовая (1 этаж).
Теплопотери через пол:
Теплопотери через наружные стены:
1.2.Кухня (1этаж).
Теплопотеричерез пол:
Теплопотери через наружные стены:
1.3. с/узел (1этаж).
Теплопотери через пол:
Теплопотери через наружные стены:
1.4. Гостиная(1 этаж).
Теплопотери через пол:
Теплопотери через наружные стены:
1.5. Кабинет (1этаж).
Теплопотери через пол:
Теплопотери через наружные стены:
1.6. Гардероб (2 этаж).
Теплопотери через потолок:
Теплопотери через наружные стены:
1.7. Спальня(2 этаж).
Теплопотери через потолок:
Теплопотери через наружные стены:
1.8. с/узел (2 этаж).
Теплопотери через потолок:
Теплопотери через наружные стены:
1.9. Детская (2 этаж).
Теплопотери через потолок
Теплопотери через наружные стены
2.Расчет поступлений теплоты
При расчете нагрузки на систему кондиционированиявоздуха необходимо учитывать следующие теплопоступления: в результате разноститемператур снаружи и внутри здания (через стены, полы, окна и двери), отсолнечной радиации (через окна, наружные стены и покрытие), от людей, ламп, осветительныхприборов, электробытовых приборов.
1.1.<span Times New Roman"">
Столовая (1этаж)Выделение теплоты людьми
Теплопоступления от людей зависят от характера и тяжести выполняемойработы и температуры воздуха в помещении и определяются по формуле:
Qл= qчел· n
Где qчел– величина тепловыделения одним человеком, в зависимости оттяжести выполняемой работы и температуры воздуха в помещении;
n– число людей, одновременнонаходящихся в помещении;
qчел=
n=
Qл=
Тепловыделения от остывающей пищи
Qл=17÷25 Вт на одногочеловека
Qпищи=
Поступление теплоты через ограждения
Теплоприток через ограждающие конструкции определяется как сумматеплопритоков, вызванных наличием разности температур снаружи ограждения ивнутри охлаждаемого помещения, а также теплопритоков за счет воздействиясолнечной радиации через покрытия и наружные стены.
Количество тепла, передаваемое через каждое ограждение, определяется поформуле:
Qогр= F·k·(tн–tв),
Где
F– площадь поверхности ограждения, м²;
K– коэффициент теплопередачи ограждения;
tн– температура снаружи ограждения;
tв – температура воздуха внутри охлаждаемого помещения;
Стена, ориентированная на север:
F=
Стена, ориентированная на запад:
F=
Qогр=
Помещение граничит с другими помещениями, в которых также поддерживается tв=22°С, поэтому теплопритокичерез внутренние стены можно не учитывать.
Теплопритоки от солнечной радиации
Теплопритоки от солнечной радиации в кондиционируемое помещениескладываются из теплопритоков через массивные ограждения зданий и теплопритоковчерез световые проемы:
Qрад= Qрадмасс + Qрадсвет
Величина теплопритока через массивные ограждения зданий:
Qрадмасс=k·F·Δtc
Где
F– площадь поверхности ограждения, облучаемой солнцем,м²;
k– коэффициент теплопередачи ограждения;
Δtc– избыточная разностьтемператур, характеризующая действие солнечной радиации в летнее время, °С.
Стена, ориентированная на север:
Δtc=
Стена, ориентированная на запад:
Δtc=
Qрадмасс=
Величина теплопритока от солнечной радиации через световые проемы зданий:
Qрадсвет=Qок·F·τ
Где
Qок– удельный теплоприток отсолнечной радиации через окна с одинарным остеклением в деревянных рамах, Вт/ м²(для окон с двойным остеклением величину Qок следует умножать на поправочный коэффициент, равный 0,62);
F– площадь светового проема, м²;
τ– коэффициент затенения, учитывающий влияние затеняющегоустройства на уменьшение количества теплопритока радиацией.
Окно, ориентированное на север:
Qок =
F=
τ=
Окно, ориентированное на запад:
Qок =
F=
τ=
Qрадсвет=Qок·F·τ
Qрад=
Теплопритоки от электрического освещения
Qрадсвет=η·Nосв,
Где
η– коэффициент перехода электрической энергии в тепловую;
Nосв – мощность электрических ламп.
η=0,92÷0,97
Qрадсвет=
Теплоприток с вентиляционным воздухом
Qвент= Lвент·(iн–iв),
где
Lвент – требу