Оптимальный (с точки зрения теплоиспользования) ТН (ОТН) отличается от КТН наличием сепаратора 5( рисунок 4.1г), в котором перегретый пар (после сжатия пара в турбокомпрессоре 2) барботирует через конденсат греющего пара, находящийся при давлении Р и температуре кипения Т, с испарением части конденсата. За счёт этого испарения получаемый поток Д" сухого насыщенного греющего пара становится больше необходимого для проведения данного процесса потока D греющего пара и появляется возможность отводить некоторое количество пара на сторону - поток Е, показанный на рисунке штриховой линией. Либо можно подавать в кипятильник воду, заметно недогретую до температуры кипения.

Поток избытка Е пара высоких параметров и другие материальные потоки этой схемы ТН можно найти на базе материальных (МБ) и тепловых (ТБ) балансов для различных узлов и аппаратов на рисунке 4.1г. Приведём основные вехи технологического расчёта, полагая как и ранее с, Сп = const.

ТБ для контура I, необходимый для определения расхода греющего пара D, совпадает с записанным выше; поэтому D рассчитывается по (1).

МБ для контура II позволяет определить поток насыщенного пара высокого давления D" из сепаратора 5:

В расчётные уравнения входит температура перегретого пара Тп после компрессора. Определим её с учётом адиабатического КПД ηад последнего, используя диаграмму состояния рабочего тела h-s. Найдя по диаграмме (известны состояние пара перед сжатием и давления р,Р) удельную адиабатическую работу сжатия Lад= h* - i, рассчитываем реальную работу сжатия: L =Lад/η ад=h’’ –i. Откладывая в диаграмме (на кривой Р) энтальпию h " фиксируем точку состояния рабочего тела после сжатия и его параметры, включая Тп (подробнее см. [14]). Например для водяного пара при t=100 °C,p = 0.1 МПа, Р = 0,25МПа и ηад = 0,7 имеем: Тп = 230 °С. Перегрев при политропном сжатии Тп- Т = 97 °С; это значит, что реальная теплота перегрева пара Cп (Tn-T) = 190 кДж/кг составляет заметную долю от теплоты парообразования греющего пара г** = 2370 кДж/кг. Эти цифры говорят о вполне значимой добавке пара при использовании и учёте теплоты его перегрева.

Перед сравнением различных вариантов ТН несколько соображений о подходе к оценке их эффективности.

Одним из типичных примеров использования принципа теплового насоса являются машины умеренного охлаждения. Для их оценки и сопоставления введено [15,16,17] понятие о холодильном коэффициенте εх, выражающим количество холода, производимого в испарителе, приходящееся на единицу затраченной адиабатической работы:

Таблица 4.1

Для тепловых насосов, предназначенных для повышения потенциала пара с целью последующей передачи теплоты q при температуре Тв верхнего источника более целесообразен коэффициент эффективности тепловых насосов (ε), называемый также коэффициентом преобразования. [5]:

Коэффициент эффективности ТН ε, как и холодильный коэффициент ε, в определённом смысле характеризует термодинамическое совершенство реализуемого теплового насоса: чем выше ε, тем выгоднее данный вариант теплового насоса. Разумеется, сравнение вариантов ТН следует проводить при одинаковых уровнях и перепадах температур, поскольку ε, как и ε х в значительной степени зависит не только от перепада температур, но и от их уровня.

На рисунке 4.4 приведено сравнение коэффициентов эффективности полного ТН (теоретического и реального) в области температур от 100

до 150 °С. В качестве нижнего температурного уровня tн выбрана температура 100 °С, соответствующая водяному пару, получаемому из воды при атмосферном давлении. Теоретический (для идеального ТН) коэффициент эффективности ТН рассчитывали по формуле, аналогичной для εх в случае идеальной холодильной машины:

В реальных условиях работы ТН коэффициент эффективности ТН рассчитывается по левой формуле (18), причем работа сжатия 1 кг водяного пара может быть рассчитана с помощью энтальпийно-энтропийной диаграммы h,i - S водяного пара как разность энтальпий конечного и начального состояний (h" - i) или (h* - i)/ηад (рисунок 4.5). С учётом механического к.п.д. компрессора ηмех работа сжатия равна:

При расчётах по формуле (22) принята Сп -1,98 кДж/(кгК); ηад = 0,78; ηмех =0,9; i = 2676 кДж/кг. Результаты расчёта εр при давлениях Р= 2 , 3 и 4 ата приведены в таблице 4.1.

Из рисунка4. 4 видно, что коэффициент эффективности реального ТН составляет 65 — 70 % от теоретического коэффициента эффективности ТН, что близко к произведению двух коэффициентов ηад * ηмех равному 0,702.

С увеличением разности температур (давлений) коэффициент эффективности ТН (коэффициент преобразования) εр закономерно уменьшается, оставаясь достаточно высоким.

При оценке эффективности применения ТН необходимо учесть большую стоимость единицы электроэнергии (для работы турбокомпрессора) по сравнению с тепловой в виде греющего пара. По данным различных заводов РФ коэффициент К, равный отношению цен за единицу электроэнергии и тепловой в виде пара давлением до 1 МПа, колеблется в широких пределах (от 3 до 6). С учётом этого соотношения экономический коэффициент эффективности ТН будет в К раз меньше: εэк = εр /K. Расчёт εэк для ПТН и КТН с учётом формулы (22) дает одинаковый результат в расчёте на 1 кг сжимаемого в турбокомпрессоре пара. Однако при сравнении эффективности применения ПТН, КТН и ОТН необходимо учесть долю свежего пара d≡D+ / D, дополнительно подаваемого, как правило, в аппарат с ПТН и, наоборот, отводимого с установки в случае КТН и ОТН. Тогда экономический коэффициент эффективности εэк при работе с ПТН, КТН и ОТН по сравнению с работой кипятильника без ТН может быть рассчитан по формуле:

Здесь εр рассчитывается по формуле (22), но без учёта теплоты перегрева паров, так как последняя учтена при расчётах D+ из тепловых балансов узлов смешения (контур II на рисунке 4.1б и контур IV на рисунке 4.1в).

Результаты расчётов εэк по формуле (23) совместно с (3), (8) и (12) при условии t1=t, р=0,1 МПа и Р=0,25МПа и различных значениях К представлены на рисунке 4.6.

При работе без ТН подаётся только свежий пар (d = 1) и, естественно, величина εэк = 1.

Для частичного теплового насоса экономический коэффициент эффективности не зависит, естественно, от соотношения цен К за единицу электроэнергии и тепловой в виде пара. Он полностью определяется коэффициентом инжекции U = Dв/Do и возможным отличием цен на пар высокого давления и рабочего, характеризующимся коэффициентом Кп.