Стенд для исследования параметров функционирования бытовых тепловых насосов
STAND FOR RESEARCH OF PARAMETERS OF HOUSEHOLD HEAT PUMPS FUNCTIONING

Для оценки эффективности работы тепловых насосов (ТН) необходимо проведение их стендовых термодинамических исследований.
Существуют различные конструкции стендов для изучения характеристик ТН.
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.
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).
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.
В установке не предусмотрена возможность регулирования температуры теплоносителя на входе в компрессор, тем самым существенно ограничиваются объемы исследований, связанных с эффективностью работы компрессора ТН.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
При этом управление работой пленочных электронагревателей и элементов Пельтье стенда может осуществляться с помощью программируемого контроллера.
Принципиальная схема стенда представлена на фиг.
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.
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.
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.
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.
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).
Низкопотенциальный теплоноситель нагревает находящийся в испарителе 2 хладагент, который в виде паров начинает поступать в теплообменник-перегреватель 6.
Открывается вентиль 14, включается жидкостной насос 16 и начинается циркуляция высокопотенциального теплоносителя (отопительной воды) между емкостью конденсатора 4 и емкостью 13 внутреннего контура.
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.
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.
Предлагаемая конструкция стенда существенно расширит возможности исследования параметров функционирования бытовых ТН.
Используемая литература:
1. Сухих А.А. Генералов К.С., Акимов И.А. «Испытание теплового насоса для теплоснабжения индивидуального дома» (журнал «Новости теплоснабжения» №197 (01.2017 г.)).
2. http://www.poisk-ru.ru/s1266t1.html
Квеладзе З.Д., Козырев Д.В., Низамутдинов Р.Ж. «Экспериментальная установка для исследования режимов работы теплового насоса» (Южно-Уральский аграрный университет).
3. Авторское свидетельство на изобретение SU 1416819 А1 «Стенд для испытаний тепловых насосов» (опубл. в бюлл. №30 от 15.08.88).