Для бівалентної теплонасосної установки з догрівом середовища споживача в бойлері за рахунок використання теплоносія від централізованої тепломережі схема ексергетичних перетворень наведена на рисунку 4.5.
а) б)
Рисунок 4.5 - Схема ексергетичних перетворень для БТНУ (ТН+Б):
а) – установки в цілому; б) – за послідовністю компонентів;
Величина враховує потужність привода компресора теплового насоса, а також насоса або вентилятора для подачі у випарник утилізованого середовища.
Ексергетична ефективність БТНУ даної комбінації у загальному випадку записується у вигляді
. (4.41)
Після відповідних перетворень і з урахуванням прийнятих раніше в розділі 3.3.7 позначень отримаємо
(4.42)
Тут - теплопродуктивність установки в цілому.
Для компонентів БТНУ:
Тепловий насос: ,
.
Бойлер: ,
.
Ексергетична ефективність компонентів БТНУ:
, (4.43)
, (4.44)
де- частка приросту ексергії середовища споживача в тепловому насосі:
(4.45)
. (4.46)
Для умов і якщо розглядається як величина віднесена до деструкції і втрат, величина У цьому випадку
, (4.47)
. (4.48)
Розглянемо бівалентну теплонасосну установку з догрівом середовища споживача в бойлері з теплоелектронагрівачем, для якої на рисунку 4.6 представлена схема ексергетичних перетворень.
а) б)
Рисунок 4.6 - Схема ексергетичних перетворень для БТНУ (ТН+ТЕН)
а) - установки в цілому; б) - за послідовністю компонентів; ТН- тепловий насос; ТЕН- теплоелектронагрівач
Для розглядуваної бівалентної теплонасосної установки маємо:
- потік ексергії палива ;
- потік ексергії продукту ;
- ексергетична ефективність
; (4.49)
- потужність теплоелектронагрівача
. (4.50)
Враховуючи часткові відношення теплопродуктивності за компонентами, отримаємо
. (4.51)
Ексергетична ефективність компонентів БТНУ
-теплового насоса:
; (4.52)
-теплоелектронагрівача:
. (4.53)
Необхідно відмітити, що ексергетична ефективність теплового насоса, що входить до складу БТНУ, як і слід було чекати виражається одним і тим самим рівнянням, якщо другий компонент (бойлер або теплоелектронагрівач) не пов'язаний з тепловим насосом іншими матеріальними або енергетичними потоками, окрім потоку середовища споживача, що нагрівається (рівність рівнянь (4.43) і (4.52))
Схема ексергетичних перетворень для бівалентної теплонасосної установки з догрівом у теплогенераторі показана на рисунку 4.7.
а) б)
Рисунок 4.7 - Схема ексергетичних перетворень для БТНУ (ТН+ТГ):
а) - установки в цілому; б) - за послідовністю компонентів;
ТН- тепловий насос; ТГ- теплогенератор
Основні показники ексергетичних перетворень:
- потік ексергії палива ;
- потік ексергії продукту ;
- ексергетична ефективність
. (4.54)
З урахуванням перетворень рівняння (4.54) для газоподібного палива записується у вигляді
; (4.55а)
для твердого і рідкого палива:
, (4.55б)
де вирази для розрахунку (ФТГ)ГАЗ і ФТГ беруться за (3.44) і (3.46).
Ексергетична ефективність компонентів розглядуваної бівалентної теплонасосної установки:
- теплового насоса за рівнянням (4.43);
- теплогенератора із споживанням паливного газу
; (4.56а)
- теплогенератора із споживанням твердого або рідкого палива
. (4.56)
Перейдемо до розгляду схеми БТНУ з газовим нагрівом утилізованого середовища, рис.4.4. При складанні схеми ексергетичних перетворень потужності привода вентилятора і компресора теплового насоса представлятимемо роздільно на відмінну від попередніх схем БТНУ, рисунок 4.8.
Рисунок 4.8 - Схема ексергетичних перетворень для БТНУ з газовим підігрівом утилізованого середовища:
а) - установки в цілому; б) - за послідовністю компонентів;
У даній схемі вузол змішування продуктів згорання з повітрям після вентилятора віднесений до компонента під назвою "камера згорання". Представимо вираз для ексергетичних показників розглядуваної БТНУ:
-потік эксергії палива:
;
- потік ексергії продукту
- ексергетична ефективність
, (4.57)
де ; - теплопродуктивність БТНУ; ,
, (4.58)
де -питома об’ємна витрата газоподібного палива у камері згорання стосовно до повної теплопродуктивності:
. (4.59)
При виведенні рівняння (4.57) припустимо,що Ев=Ео.с=0.
Алгоритм визначення об’ємної витрати газу на камеру згорання і відповідно визначення полягає в такому:
- для вибраної температури визначається значення коефіцієнта перетворення теплового насоса на задану теплопродуктивність і параметри середовища споживача;
- на базі рівнянь теплового навантаження на випарник теплового насоса:
,
;
-визначається масова витрата утилізованого середовища після змішування з продуктами згорання КЗ;
- на базі рівнянь матеріального і теплового балансів вузла змішування визначена необхідна масова витрата продуктів згорання:
Для визначення ентальпії продуктів згорання й інших параметрів процесу спалювання палива використовуються методики, викладені в [16] [51].
- після визначення щільності продуктів згорання і питомої витрати повітря для процесу горіння знаходять шукану величину .
Необхідно відзначити, що збільшення ексергетичної ефективності даної БТНУ в порівнянні з тепловим насосом без підігріву утилізованого середовища можливо тільки при дотриманні умови
. (4.60)
Проте, дотримується чи ні дана умова, застосування даної схеми БТНУ дозволяє розширити діапазон застосовності атмосферного повітря в зимовий період як утилізованого середовища.
Перевагу даної схеми у порівнянні із звичайним варіантом теплового насоса можна встановити тільки у рамках повного ланцюга енергетичних перетворень. Для фіксованого значення теплопродуктивності:
- енергетичний баланс ТН: ;
- енергетичний баланс БТНУ: ,
де - тепловий потік від утилізованого середовища;
-тепловий потік продуктів згорання.
З даних балансових рівнянь випливає, що
.
тобто зниження споживаної потужності привода компресора, що входить до складу теплового насоса, дорівнює тепловому потоку в камері згорання (без урахування втрат у навколишнє середовище).
Зменшення витрат ексергії викопного палива при застосуванні підігріву утилізованого середовища виражатиметься рівнянням
, (4.61)
а економія газоподібного палива еквівалентна
. (4.62)
У кінці необхідно відзначити, що бівалентна теплонасосна установка, що працює з витратою палива на підігрів утилізованого середовища термодинамічно еквівалентна моновалентній при порівнянні за ідеальними циклами. Вплив урахування необоротностей вимагає свого вивчення у теоретичному і експериментальному плані.