Каскадный тепловой насос на смеси природных хладагентов нагревает воду выше 100°C при COP, равном 4,5

15 Июня 2023

Новое исследование показало, что каскадный тепловой насос «воздух-вода», использующий смесь природных хладагентов CO₂ и бутана (соответственно, R744 и R600) в нижнем каскаде и смесь CO₂ и пентана (R601) в верхнем каскаде, способен демонстрировать коэффициент производительности (COP), равный 4,5, и нагревать воду выше 100°C.

Массовая доля CO₂ в смесях составляет от 2% до 8%.

Статья об исследовании под названием «Термодинамический анализ каскадного высокотемпературного теплового насоса, использующего зеотропные смеси природных хладагентов R744/R600 и R744/R601» опубликована в майском выпуске издания «International Journal of Refrigeration» за 2023 год.

Ученые из Норвежского университета науки и технологии — постдокторант-исследователь Паланичами Ганешан (Ganesan Palanichamy), профессор Трюгве Магне Эйкевик (Trygve M. Eikevik) и их команда – изучали высокотемпературные тепловые насосы, использующие двухступенчатый каскад и способные нагревать воду выше 100°C — вплоть до 118°C.

— Достигнуто повышение COP в среднем на 36% по сравнению с ранее опубликованными результатами, полученными на системе предложенной конструкции, — рассказал Ганешан. В предыдущем исследовании использовались ГФО-хладагенты: R1234ze(E) в нижнем каскаде и R-1336mzz(Z) — в верхнем.

Исследователи разработали и смоделировали двухкаскадный высокотемпературный тепловой насос. Результаты этого моделирования позволили получить представление о возможности повышения COP и получения горячей воды более высокой температуры.

Обе ступени использовали воду в качестве вторичного теплоносителя. На входе в испаритель нижнего каскада, куда она поступала в качестве источника тепла, вода имела температуру 10–50°C, на выходе — 7,1–38,8°C. На конденсатор верхней ступени (теплоотвод) вода поступала с температурой 50,8–70,8°C и покидала его, нагревшись выше 100°C.

Каскадная система представляет собой два отдельных холодильных контура (нижнюю и верхнюю ступени), соединенные теплообменником, в котором смесь R744/R600 из нижней ступени конденсируется, а смесь R744/R601 из верхней ступени — испаряется. Сжатая смесь R744/R601 (имеющая более высокую температуру насыщения, чем R744/R600) подается в конденсатор-теплоотвод верхней ступени для нагрева воды выше 100°C. Все теплообменники системы имеют противоточную конструкцию.

На рисунках ниже изображена схема каскадного теплового насоса и диаграммы «давление-энтальпия».

В отличие от одноступенчатой системы, каскадная система хорошо справляется с управлением давлением, поскольку разделение на две ступени способствует стабильной работе. Соотношение давлений в этой системе поддерживается низким, что также не характерно для одноступенчатых систем. Еще одной ключевой причиной выбора этой схемы стала ее способность обеспечить значительный подъем температуры.

Чтобы оценить производительность системы, команда ученых изучила ряд параметров, включая подъем температуры, теплопроизводительность, температуру нагреваемой и нагревающей воды, а также COP (каждой ступени и общий).

Результаты исследования показывают высокую эффективность природных хладагентов и их способность нагревать воду до высоких температур.

Зеотропные смеси

Смеси R744/R601 и R744/R600 являются зеотропными, это значит, что их испарение и конденсация наблюдаются не при какой-то одной постоянной температуре, а происходят в определенном температурном диапазоне. Характеристикой зеотропных смесей является температурный глайд (температурное скольжение), показывающая разность между точкой росы (началом конденсации) и точкой пузырька (началом кипения).

Температурные глайды исследованных смесей сильно зависят от массовой доли CO₂ в них. С повышением содержания CO₂ от 0,01% дo 30% температурный глайд растет, а затем снижается с увеличением доли CO₂ с 31% до 100%. Глайд хладагента, на 100% состоящего из CO₂, равен 0. В исследовании использовались смеси с массовым содержанием CO₂ в диапазоне от 2% до 8% и, соответственно, c небольшим глайдом.

Увеличение массовой доли CO₂ приводит к увеличению критической температуры смесей. Исследованные смеси имеют высокие критические температуры.

Исследователи сосредоточились на смесях с малым температурным глайдом и высокой критической температурой, стремясь найти баланс между производительностью системы и высокой температурой нагрева.

Моделировалось применение смесей с четырьмя различными соотношениями компонентов (см. табл.):

Таблица. Различные пропорции смесей для нижней и верхней ступеней

Влияние источника тепла и CO₂

Для создания модели и ее комплексного анализа использовалась компьютерная программа MATLAB. Результаты исследования позволили сделать несколько выводов. Один из них — температура источника тепла имеет огромное значение для производительности системы и возможности нагрева до температур, превышающих 100°C.

Сравнение результатов для различных составов смесей показало, что состав №1 (с 2% CO₂) обеспечивает оптимальные результаты: высокий COP (4,5) и температура на выходе выше 100°C. Благодаря повышению эффективности система показала тепловую мощность 205 кВт.

С составом №2 (4% CO₂) вода нагревается еще сильнее, однако COP системы при этом падает. Эта тенденция (температура воды – выше, COP – ниже) сохраняется с составами №3 и №4, позволяя в итоге добиться температуры 118°C.

Давление в системе растет с увеличением массовой доли CO₂ в смеси, однако остается значительно ниже 2 000 кПа (290 psi/20 бар), обеспечивая эффективность работы системы. Диапазон давлений в нижнем и верхнем контурах составляет 152,5—1 870 кПа и 115—1873 кПа, соответственно.

Дополнительные материалы:

«Термодинамический анализ каскадного высокотемпературного теплового насоса, использующего зеотропные смеси природных хладагентов R744/R600 и R744/R601», англ. яз