Эколого-безопасный тепловой насос низкого давления Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

нологический процесс допускает выдержку времени при переключении частот вращения, то влияние затухающего магнитного поля снижается и не происходит оплавление контактов переключателя переходным током, ограниченным только внутренним сопротивлением обмотки.

Литература

1. Богатырёв, Н.И. Электрические машины переменного тока / Н.И. Богатырёв, В.Н. Ванурин, О.В. Вронский. - Краснодар: КубГАУ, 2007. - 301 с.

2. Ванурин, В.Н. Статорные обмотки многоскоростных асинхронных двигателей для привода вентиляторов / В.Н. Ванурин, А. А. Павлов, Т.В. Жидченко. - Краснодар: КубГАУ, научный электронный журнал. Номер: 87(03), март 2013. Опубликовано: 29.03.2013. IDA [article ID]: 0871303063.doc (zip, 1954 ^).pdf (1578 кБ).

3. Чуркин, А.Е. Рациональные схемы полюсопереключаемых обмоток стационарных электроприводов установок АПК / А.Е. Чуркин, А.А. Павлов. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012. - 169 с.

Сведения об авторах

Павлов Андрей Александрович - ассистент кафедры энергетики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел.: 8(86359) 42-4-00.

Чуркин Александр Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электрических машин Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел.: 8(86359) 34-8-85.

Information about the authors

Pavlov Andrey Aleksandrovich - assistant of the Power engineering department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: (86359) 42-4-00.

Churkin Alexander Yevgenievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Operation of power installations and electrical machines department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (г. Зерноград). Phone: 8(86359) 34-8-85.

УДК 620.92

ЭКОЛОГО-БЕЗОПАСНЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ © 2013 г. В.Я. Жарков, Л.Е. Никифорова

Приведен краткий анализ принципов работы тепловых насосов и предложен эколо-го-безопасный тепловой насос, который содержит испаритель, вакуумный насос, конденсатор и дроссель, объединенные в замкнутый циркуляционный контур теплового насоса с хладагентом в виде высококипящего вещества с плюсовой температурой кипения при нормальном атмосферном давлении.

Ключевые слова: испаритель, конденсатор, вакуумный насос, дроссель, давление.

Brief analysis of heat pumps principles are considered and ecologically heat pump, which contains an evaporator, vacuum pump, capacitor and throttle, combined in a closed circulation circuit of the heat pump refrigerant in a high boiling point substance from the positive boiling at atmospheric pressure is offered.

Key words: evaporator, capacitor, vacuum pump, throttle, pressure.

Постановка проблемы. Толчком к интенсивным разработкам и внедрению в эксплуатацию геотермальных тепловых насосов (которые являются экологически чистыми) энергосберегающих систем отопления и кондиционирования стал энергетический кризис 1973 и 1978 гг. в развитых странах. Сегодня геотермальные тепловые насосы (ТН) нашли широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Союза.

В США ежегодно выпускается около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых домов используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

В Японии ежегодно производится около 3 млн тепловых насосов.

В Швеции 70% тепла обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы общей мощностью 320 мВт, которые используют тепло Балтийского моря, со среднегодовой температурой около 8 °С.

В 2001 г. в Швейцарии в каждой третьей новостройке устанавливались тепловые насосы (сведений за другие годы нет). На каждые два квадратных километра территории Швейцарии (включая леса, горы и водоемы) установлен один тепловой насос.

В Германии предусмотрена дотация государства на установку теплового насоса в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.

В мире, по прогнозу Мирового Энергетического Комитета, до 2020 года доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении будет составлять 75%. Общий объем продаж тепловых насосов, выпускаемых за рубежом, больше мирового объема продаж вооружений в 3 раза [1]. Так «тепловой насос шагает по планете».

К сожалению, если в развитых и развивающихся странах счёт работающих теплонасосных установок ведётся на сотни тысяч и миллионы, то Украина только приступает к освоению этой техники.

Анализ последних публикаций. Известный тепловой насос для использования тепла морской, грунтовой и сбросной воды [Патент 458148 Швеция, МПК Б24В/00, опубл. 22.02.1989], в котором ряд вертикально установленных тонких плат из алюминия, меди, нержавеющей стали и т. д. имеют внутренние каналы, по которым прокачивается теплоноситель. По обе стороны верхнего конца плат расположены перфорированные трубки, в которые подается вода из основного источника. Разбрызганная из трубок вода стекает по платам, отдавая им тепло. Эта вода собирается, отводится и сбрасывается на расстоянии от места забора. Недостаток названной установки - громоздкость и высокая удельная металлоемкость конструкции.

Известно устройство для получения тепла, состоящее из двух теплонасосных установок с различными коэффициентами трансформации и разной мощности, с получением тепла из окружающей среды, и приводного ДВС [заявка 3115891 ФРГ, МПК Б2413/04, опубл. 11.11.1982]. Недостатком устройства является его сложность и загрязнение окружающей среды выхлопными газами ДВС.

Известна также теплонасосная установка [А.с. 770318 БИ, МПК Б25Б29/00. -Опубл. 30.03.1985. - Бюл. № 12], содержащая компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль, испаритель, дополнительную автономную холодильную машину с линиями высокого давления. Недостатком названной установки является громоздкость и сложность конструкции, обусловленные наличием высокого давления и, как следствие, высокая ее стоимость.

Обобщенная схема известных тепловых насосов представлена на рисунке 1. Низкопотенциальное тепло с помощью хладагента (низкокипящего вещества - фреона) и компрессора 4 перекачивается из внешней среды (зона В) в отапливаемое помещение (зона А). При сжатии хладагента происходит его конденсация с выделением тепла в конденсаторе 1, а при прохождении через дроссель 2 - его резкое испарение с поглощением тепла испарителем 3.

1 - конденсатор (отдает тепло); 2 - дроссель; 3 - испаритель (забирает тепло);

4 - компрессор Рисунок 1 - Схема компрессионного теплового насоса

Общим недостатком известных тепловых насосов является использование хладагентов из группы, включающей гало-гено-углеродные соединения с содержанием хлора и фтора - фреонов, запрещенных в соответствии с Киотским протоколом. Кроме того, использование компрессора для принудительного сжатия хладагента вызывает повышение требований ко всем элементам циркуляционного контура и, следовательно, - к увеличению материалоемкости и стоимости теплового насоса.

Формулировка целей статьи. Поставлена задача создания экологически чистого и озонобезопасного способа работы теплового насоса, заменив операцию сжатия хладагента компрессором на его расширение вакуумным насосом, который позволит использовать в качестве рабочего тела экологически безопасные хладагенты с положительной температурой кипения при атмосферном давлении (Ткип > 273 К), и устройства для его реализации.

Основная часть. Поставленная задача решается тем, что способ работы теплового насоса, основанный на циркуляции рабочего тела по замкнутому контуру, состоящему из последовательно соединенных испарителя, конденсатора и дросселя, в качестве рабочего тела использует высококи-пящее вещество с положительной температурой кипения (Т > 273 К) при нормальном атмосферном давлении, которое откачива-

ют из испарителя и подают в конденсатор [2].

Особенность предлагаемого способа в том, что для изменения агрегатного состояния рабочего тела вместо его сжатия компрессором в конденсаторе осуществляют расширение в испарителе за счет его откачки.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является уменьшение материалоемкости и упрощение эксплуатации теплового насоса для его осуществления из-за использования системы низкого давления.

Использование в качестве рабочего тела этанола (С2Н5ОН) или его водного раствора делает тепловой насос экологически чистым и озонобезопасным.

Техническая сущность запатентованного способа поясняется графическим материалом: на рисунке 2 а представлена схема работы теплового насоса, а на рисунке 2 б - его термодинамическая схема. Способ работы теплового насоса, основанный на циркуляции рабочего тела по замкнутому контуру (рисунок 2 а), состоящему из последовательно соединенных испарителя 1, конденсатора 2, дросселя 3 и вакуумного насоса 4, реализуется следующим образом. С испарителя 1 вакуумный насос 4 откачивает высококипящее вещество - этанол (С2Н5ОН), который закипает и при испарении меняет свое агрегатное состояние из жидкости в газ [2].

а б

1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - дроссель; 4 - вакуумный насос; 5 - тепловой насос Рисунок 2 - Схема работы ТН принципиальная (а) и термодинамическая (б)

Тепловой насос 5 можно рассматривать как обратную тепловую машину [3]. Тепловая машина получает теплоту от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу, а тепловой насос требует затраты работы W для получения теплоты Оь при низкой температуре ТЬ и отдачи ее при более высокой температуре Тн. Отношение Он / W называется коэффициентом преобразования (КОП) теплового насоса. Его используют для оценки эффективности работы тепловых насосов. Обычно коэффициент преобразования теплового насоса достигает в среднем значения 3 или чуть больше.

Таким образом, тепловой насос 5 осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого потенциала ТЬ (температурного уровня) на более высокий потенциал Тн, необходимый потребителю.

Теплота Оь на испарение этанола отбирается от источника низкопотенциального тепла, например из наружного воздуха, или с земли. Откачанный из испарителя 1 газообразный этанол поступает в конденсатор 2 с давлением близким к атмосфер-

ному, увеличение давления приводит к конденсации этанола, который превращается в жидкость, отдавая при охлаждении теплоту Он приемнику высокопотенциального тепла. Дроссель 3 обеспечивает величину давления в конденсаторе 2, необходимую для конденсации этанола. Вакуумный насос 4 снижает давление пара хладагента в испарителе до тех значений, при которых точка кипения хладагента становится ниже температуры в испарителе 1.

Параметры этанола [4]: критическая температура Ткр = 516,1К (243,1 °С), критическое давление Ркр = 63,9 Па, температура кипения при атмосферном давлении (Р = 0,1 МПа) Ткип = 351,3К (78,3 °С), а удельная теплота испарения г = 840 кДж/кг, теплоемкость газообразного этанола в диапазоне температур от 0 до 100 °С составляет Ср = 1,34-1,69 кДж / кг град. Для работы теплового насоса принимаем диапазон рабочих температур от небольшой минусовой (-2,3 °С) (в зависимости от температуры источника низкопотенциальной теплоты) до 48-64 °С (в зависимости от потребностей потребителя). При снижении давления С2Н5ОН в испарителе 1 до величины

Р = 1,33 кПа температура кипения этанола снижается до Ткип = 270,4К (-2,3 °С). При давлении пара С2Н5ОН в конденсаторе 1 Р = 26,7 кПа этанол конденсирует при температуре Ткип = 224,6К (48,4 °С). При давлении пара Р = 53,4 кПа этанол конденсирует при Ткип = 336,5 К (63,5 °С). Рабочий режим теплового насоса подбирают индивидуально в зависимости от температуры Ть низкопотенциального источника и потребностей в температуре Тн потребителя высокопотенциального тепла. Слишком высокие температуры конденсации выбирать не следует, так как, по мере приближения температуры к критической (для этанола Ткр = 516,1К), скрытая теплота парообразования быстро уменьшается, теплоту отдает только перегретый пар, но при существенном уменьшении КОП [4].

Для реализации способа в ТГАТУ запатентован эколого-безопасный тепловой насос низкого давления [5], содержащий испаритель, вакуумный насос, конденсатор и дроссель, объединенные в замкнутый циркуляционный контур ТН с хладагентом

в виде высококипящего вещества с положительной температурой кипения при нормальном атмосферном давлении, согласно полезной модели, содержит внешний циркуляционный контур из теплообменника и циркуляционного насоса для прокачки теплоносителя от внешнего источника низкопотенциальной теплоты, внешний циркуляционный контур функционально связан с контуром теплового насоса.

Особенность запатентованного эко-логобезопасного теплового насоса низкого давления [4] в том, что введение внешнего циркуляционного контура из теплообменника и циркуляционного насоса для прокачки теплоносителя от внешнего источника низкопотенциальной теплоты увеличивает теплопроизводительность ТН.

На рисунке 3 представлена принципиальная схема эколого-безопасного теплового насоса низкого давления, где Ть -низкая температура источника низкопотенциальной теплоты QL; Тн - высокая температура теплоты Qн у потребителя.

УУА^

Рисунок 3 - Схема эколого-безопасного теплового насоса низкого давления

Запатентованный тепловой насос [5] содержит испаритель 1, вакуумный насос 2, конденсатор 3, дроссель 4, объединенные в замкнутый циркуляционный контур теплового насоса, и внешний циркуляционный

контур из теплообменника 5 и циркуляционного насоса 6 для прокачки теплоносителя от внешнего источника низкопотенциальной теплоты, внешний циркуляционный контур функционально связан с контуром

теплового насоса. В качестве хладагента используют высококипящие вещества -этанол (С2Н5ОН) или его водный раствор.

На рисунке 4 представлены варианты конструктивного исполнения теплообменников внешнего циркуляционного контура. Теплообменник 5 внешнего циркуляционного контура изготовлен в виде двух, коак-сиально расположенных, труб 7, 8 разного диаметра, заглубленных через скважину в землю (рисунок 4 а). Труба 7 большего диаметра с теплопроводного материала, с

глухим дном 9, труба 8 меньшего диаметра с теплоизолирующего материала, сверху трубы 7,8 закрыты общей крышкой 10 и оборудованы выходными патрубками 11, 12 в верхней части.

В другой конкретной форме выполнения (рисунок 4 б) трубы 7, 8 разного диаметра снизу закрыты общим глухим дном 13, а труба 8 меньшего диаметра в нижней части оборудована перфорированными отверстиями 14.

а б

а - внутренняя труба внизу открыта; б - обе трубы с общим глухим дном Рисунок 4 - Варианты конструктивного выполнения теплообменников внешнего циркуляционного контура

Тепловой насос требует затрат механической работы W для получения теплоты Оь при низкой температуре Ть и отдачи теплоты Он при более высокой температуре Тн [4]. Отношение Он /W называется коэффициентом преобразования (КОП) теплового насоса, который определяют по следующему выражению:

КОП =

Тт

Тн -Ть

+ 1 = — ТН

Тн -Ть

где Ть - низкая температура;

Тн - высокая температура.

Из приведенного выражения видно, что КОП существенно зависит от разности температур (Тн - Ть) - чем она меньше, тем КОП больше. Это значит, что в случае

применения теплового насоса - выгодней подключать их к низкотемпературным системам отопления. Имеется в виду обогрев от теплых водяных полов или теплых стен (укладка труб в стенах) или теплым воздухом, так как в этих случаях мы имеем теплоноситель около 30-40 °С.

КОП идеального цикла Карно может быть достаточно высоким, но практически

КОП примерно равен 3.

Запатентованый экологобезопасный

тепловой насос низкого давления работает следующим образом. Вакуумный насос 2 откачивает пар этанола из испарителя 1, снижая давление в нем до тех значений, при которых точка кипения хладагента становится ниже температуры в испарителе 1.

При этом этанол закипает, интенсивно испаряется и отбирает теплоту испарения от стенок испарителя 1. Откачанный из испарителя 1 газообразный этанол поступает в конденсатор 3 с давлением, близким к атмосферному, увеличение давления приводит к конденсации С2Н5ОН, который превращается в жидкость, отдавая при охлаждении теплоту конденсации Qн, которая отводится в отапливаемое пространство. Дроссель 4 обеспечивает величину давления в конденсаторе 3, необходимую для конденсации этанола. Из конденсатора 3 жидкий конденсат С2Н5ОН проходит через дроссель 4 и возвращается в испаритель 1, где его температура после испарения снижается.

Температура земли на глубине до 100 метров является постоянной в течение года, независимо от времени года и составляет в среднем +8 °С. Для преобразования этого температурного потенциала для отопления и горячего водоснабжения и используется тепловой насос. Внешний циркуляционный контур, состоящий из теплообменника 5 и циркуляционного насоса 6, обеспечивает доставку низкопотенциальной теплоты QL от земли через кольцевой канал между трубами 7, 8, внутреннюю трубу 7 и патрубок 12 к стенкам испарителя 1. Внешний теплообменник размещается в скважине на глубине 30-100 метров и обеспечивает подачу к стенкам испарителя 1 теплоносителя с температурой земли (8 °С). Отобранная незамерзающей жидкостью теплота через кольцевой канал между трубами 7, 8 внешнего теплообменника 5 передается через испаритель 1 хладагенту контура теплового насоса, в качестве которого используется высококипящее вещество - этанол (С2Н5ОН). С испарителя 1 вакуумный насос 2 снова откачивает этанол, который закипает и при испарении меняет свое агрегатное состояние из жидкости в газообразное. Теплота QL на испарение этанола отбирается через теплообменник 5 от источника низкопотенциальной теплоты - земли. Для расчетов принимается средняя тепловая продуктивность

вертикального теплообменника 40-60 Вт/м.

В качестве теплоносителя во внешнем циркуляционном контуре использована жидкость с низкой температурой замерзания - гликоль. Гликоли - двухатомные спирты, содержащие две гидроксильные группы с общей формулой СпН2п (ОН). Низшие гликоли - прозрачные, бесцветные, вязкие жидкости, растворимые в воде: этиленгликоль (ОН-СН2-СН2-ОН) - температура замерзания -13 °С; диэтиленгликоль -10,4 °С; пропиленгликоль -59 °С [6].

Выводы

Использование в качестве рабочего тела высококипящих веществ с положительной температурой кипения (Т > 273 К) при нормальном атмосферном давлении делает тепловой насос экологически чистым и озонобезопасным, приводит к созданию системы низкого давления и, следовательно, к уменьшению ее материалоемкости и упрощению эксплуатации.

Литература

1. Шр/^^^^куёгт^еп-епе^у.сот.иа.

2. Жарков, В.Я. Применение теплона-сосной технологии для повышения эффективности использования энергии ветра / В.Я. Жарков // Вестник аграрной науки Дона. - 2012. - № 3 (19). - С. 18-25.

3. Рей, Д. Тепловые насосы / Д. Рей, Д. Макмайкл / пер. с англ. - Москва: Энер-гоатомиздат, 1982. - 282 с.

4. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - Москва: Наука, 1972. - 720 с.

5. Пат. 77776 ИЛ, МПК (2013.01) Б25Б30/00, Б2413/000. Екологобезпечний тепловий насос низького тиску / В.Я. Жарков, Л.£. Никифорова. - Заявл. 27.08.2012; Опубл. 25.02.2013, Бюл. № 4.

6. Кнунянц, И.Л. и др. Химическая энциклопедия. В 5 т. Т. 2. Даффа реакция -Меди сульфат. - Москва: Советская энциклопедия, 1990. - 671 с.

Сведения об авторах Жарков Виктор Яковлевич - канд. техн. наук, доцент Таврического агротехноло-гического университета (г. Мелитополь, Украина). Тел.: 8(0619) 42-23-41. E-mail: [email protected].

Никифорова Лариса Евгеньевна - д-р техн. наук, профессор Таврического агро-технологического университета (г. Мелитополь, Украина). Тел.: 8(0619) 42-23-41. E-mail: ET [email protected].

Information about the authors Zharkov Victor Yakovlevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Tavria State Agrotechnological University (Melitopol, Ukraine). Phone: 8(0619) 42-23-41. E-mail: [email protected].

Nikiforova Larisa Yevgenievna - Doctor of Technical Sciences, professor, Tavria State Agrotechnological University (Melitopol, Ukraine). Phone: 8(0619) 42-23-41. E-mail: ET [email protected].

УДК 621.822.6.87:621.833

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ СИЛЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОСЕВОГО СЖАТИЯ В ПОДШИПНИКАХ КОНИЧЕСКИХ РЕДУКТОРОВ

© 2013 г. А.А. Серёгин, Р.И. Бутков

Предложена методика для определения пределов силы предварительного натяга в дуплексах конических подшипников. Представлены выражения для определения осевых сил и величины осевого зазора в подшипниковом узле, собранном без предварительного натяга, с анализом последствий такой установки. Показан метод определения пределов силы преднатяга при установке подшипников в конических редукторах ведущих мостов.

Ключевые слова: предварительный натяг, редуктор, конический подшипник, момент трения, осевая податливость.

The technique for definition of the preliminary tightness force in duplexes of the bevel gear bearings is offered. Expressions for definition of axial forces and size of an axial backlash in the knot collected without a preliminary tightness, and consequences analysis of such installation are presented. The method of the preliminary tightness force limits definition at bearings installation in the bevel gear of the driving axles is submitted.

Key words: preliminary tightness, reducer, bevel bearings, friction moment, axial pliability.

В качестве основного критерия, принятого в технической литературе для контроля точности регулировки предварительного осевого сжатия (преднатяга), выбран косвенный параметр - момент трения. Однако основным параметром является сила осевого сжатия, именно от которой зависит долговечность подшипников и всего узла в целом [1]. Характерной особенностью применяемых в конструкциях редукторов ко-

нических роликовых радиально-упорных подшипников является осевая податливость с нелинейной характеристикой от осевой силы в виде полукубической параболы. С увеличением осевой нагрузки приращение осевой податливости уменьшается.

Для определения сил, действующих на подшипники в эксплуатации, конструктивная схема представлена в виде расчетной схемы (рисунок 1).