Обоснование использования каскадных тепловых насосов в системах теплоснабжения
На правах рукописи
Панкосьянов Дмитрий Николаевич
ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
КАСКАДНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-
строительный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Дыскин Лев Матвеевич
Нижегородский государственный архитектурно-
строительный университет
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Аверьянов Владимир Константинович
Отдел развития систем энергоснабжения в СПб,
ОАО «Газпром»
доктор технических наук, профессор
Васьков Евгений Тихонович
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-
строительный университет
Ведущая организация: Военный инженерно-технический университет,
г. Санкт-Петербург
Защита состоится 01 июня 2010 г. в 14:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.06 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. 4, зал заседаний.
Факс (812) 316-58-72.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГАСУ.
Автореферат размещен на официальном сайте СПбГАСУ: www.spbgasu.ru
Автореферат разослан «____» апреля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета В.Ф. Васильев
Актуальность темы исследования определяется необходимостью снижения энергозатрат в системах теплоснабжения.
Проблема энергосбережения в настоящее время очень важна и подтверждением этого является принятый 27 ноября 2009 года федеральный закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», а также объявленная в январе 2008 года Европейской Комиссией(ЕК) стратегия всестороннего пакета мер по экономии природных ресурсов. Одной из целей новых законодательных актов является поощрение применения возобновляемой энергии. В директиве ЕК была рассмотрена возможность использования теплоты, поставляемой тепловыми насосам(ТН), поскольку при коэффициенте преобразования тепловых насосов типа воздух-вода, равном 3,0, можно говорить о реальности перспектив сокращения эмиссии CO2 на 50% и экономии на 30% энергии существующих котлов, работающих на органическом топливе. Эта важная задача стоит и перед нашей страной. Экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), применение альтернативных и возобновляемых источников энергии, разработка и внедрение теплонасосных и комбинированных установок в системах тепло- и теплохладоснабжения объектов промышленного и гражданского строительства смогут значительно сократить потребление органического топлива.
Сегодня в нашей стране предприятия, применяющие холодильные установки, зачастую «сбрасывают» низкотемпературную теплоту конденсации паров хладагента во внешнюю среду и, в тоже время, привлекают внешние источники энергии для отопления, бытовых и технологических нужд. Использование «бросовой» теплоты для покрытия теплопотерь напрашивается само собой, но для этого требуется поднять её температурный уровень. Проблему можно решить с помощью перевода холодильной установки в теплонасосный режим работы. Построение такой системы осложнено тем, что при повышении температуры конденсации до приемлемого уровня резко снижается холодопроизводительность системы, что недопустимо. Одним из решений проблемы может быть применение каскадного теплового насоса. Идея этого метода заключается в замене одного цикла несколькими, расположенными каскадом, т. е. так, что каждый, находящийся ниже по температурам цикл, передает теплоту циклу, расположенному выше.
Целью работы является повышение эффективности и расширение области применения комбинированных теплонасосных систем путем использования каскадных установок при совместном теплохладоснабжении.
Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
- Анализ современного состояния рассматриваемой проблемы.
- Разработка и обоснование математических моделей элементов каскадного комбинированного теплового насоса(ККТН).
- Получение экспериментальных характеристик ККТН.
- Исследование режимов работы ККТН и определение рациональных диапазонов изменения режимных параметров.
- Разработка методики определения термодинамической эффективности различных способов теплохладоснабжения.
- Конструктивное воплощение и внедрение ККТН.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны уточненные математические модели основных элементов ККТН;
- выполнен термодинамический анализ парокомпрессионных циклов совместной выработки теплоты и холода с учетом специфики основных параметров;
- обоснован выбор режимных параметров ККТН;
- определены диапазоны рационального применения схем с однокаскадными и бескаскадными тепловыми насосами(ТН);
- получены систематизированные опытные данные о режимах работы ступени охлаждения ККТН с воздушным испарителем и ступени нагрева при работе конденсатора водяного охлаждения в области, близкой к точке критической температуры рабочего тела;
- разработана методика оценки различных способов теплохладоснабжения с использованием коэффициента термодинамической эффективности.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- создан экспериментальный стенд для получения теплотехнических характеристик каскадных комбинированных установок;
- расчетные уравнения ККТН могут применяться при проектировании комбинированных теплонасосных установок.
- результаты технико-экономического сравнения комбинированного производства теплоты и холода с альтернативными вариантами раздельного теплохладоснабжения могут быть использованы при разработке программ энергосбережения предприятий, совместно потребляющих теплоту и холод.
На защиту выносятся следующие решения поставленных задач:
- уточненные математические модели элементов ККТН;
- результаты экспериментального исследования режимов работы ККТН;
- методика и результаты определения эффективности парокомпрессионного цикла совместной выработки теплоты и холода и альтернативных способов теплохладоснабжения;
- технические решения по комплексному использованию низкопотенциальной теплоты, получаемой в системах холодоснабжения, в системах теплоснабжения с применением парокомпрессионных тепловых насосов.
Реализация результатов исследований.
Результаты работы внедрены при использовании комбинированных ТН «ТОКУ» на следующих объектах: ПБОЮЛ Беляев Н.В., г.Н.Новгород (отопление производственного помещения и заморозка мясных полуфабрикатов), ООО «Птицерия», Нижегородская область (заморозка мясных полуфабрикатов и дефростация сырья), ЗАО «Горбатовское», Нижегородская область ( пастеризация и охлаждение молока), в технической документации для ООО «Маг-НН», г.Н.Новгород (система охлаждения с утилизацией теплоты от технологической линии производства спрэдов и сливочных масел), ИП Агамирян В.С., Чувашская республика (система охлаждения с утилизацией теплоты технологической линии производства мягких сыров), МУП «Саровский пищевой комбинат», Нижегородская область (утилизация теплоты от технологических процессов производства мороженного). Акты внедрения результатов диссертационной работы представлены в приложении к диссертации.
Результаты работы апробированы на следующих конференциях: 8-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки (экологическая, гидрометеорологическая, энергетическая безопасность)» / ICEF (г. Н.Новгород, 2006 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири»(г. Тюмень, 2007г.); форум "Российский дом будущего. Долгосрочная стратегия массового строительства жилья в России" (г. Москва 2007г.); 9-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки (экологическая, гидрометеорологическая, энергетическая безопасность)» / ICEF (г. Н.Новгород, 2007 г.); ХI Конференция молодых специалистов. ОАО «Газпром», ООО «Волгатрансгаз» (г. Н.Новгород, 2007 г.); Первый областной конкурс молодёжных инновационных команд «РОСТ»(«Россия-Ответственность-Стратегия-Технологии) (г. Н.Новгород, 2007г.); 1-ая специализированная выставка и конференция «РосХимЭкспо»( г. Н.Новгород, 2007г.); 13-я Нижегородская сессия молодых учёных (технические науки). (Нижегородская область, 2008 г.); VI Международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды»( г. Волгоград, 2008 г.); научно-техническая конференция с международным участием «Холод и климат Земли. Стратегия победы или выживания»(г. Санкт-Петербург, 2008г.); VII Международная научная конференция «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды»( г. Волгоград, 2009 г.); I Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» в рамках IХ Всероссийской выставки Научно-технического творчества молодежи(г. Москва, 2009 г.); 14 международный научно-промышленный форум «Россия Единая», стратегическая конференция «Инновации в агропромышленном комплексе» (Нижегородская область, 2009 г.), Третья Международная научная конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (г. Москва, 2009 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 19 публикациях, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 107 наименований и приложения, включающего акты внедрения результатов диссертационной работы. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 13 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическое значение, защищаемые положения.
В первой главе выполнен анализ проблемы совместного производства и потребления различных видов энергии. Одним из примеров совместного производства являются комбинированные установки, одновременно вырабатывающие теплоту и холод различных температурных уровней.
Идея совмещения термодинамических циклов холодильных установок и тепловых насосов была рассмотрена в работах B.C. Мартыновского, Л.З. Мельцера, О.Ш. Везиришвили, В.М. Бродянского, И.М. Калниня, Н.В. Калинина, А.В. Мартынова и др. Вопросы использования тепловых насосов в системах теплоснабжения и отопления рассмотрены в работах В.С.Латыка, В.Г. Горшкова, В.А. Огуречникова, В.К.Аверьянова, В.Л.Проценко, О.Я.Кокорина, Г.П.Васильева, Е.Т.Васькова и др. Среди зарубежных исследователей следует отметить работы A.Briganti, D.Reay, E. Sturzenegger и др. Однако конкретные вопросы реализации комбинированных установок (КУ), анализ основных показателей работы КУ, диапазонов температур испарения и конденсации, давлений прямого и обратного потоков, специфики требований к рабочим телам для высоких температур конденсации в литературе освещены недостаточно полно.
Как правило, при анализе и оптимизации парокомпрессионные теплонасосные установки (ПТНУ) рассматривают как парокомпрессионные холодильные установки (ПХУ), работающие в области более высоких температур. Однако, несмотря на несомненную тождественность принципиальных схем и процессов в ПХУ и ПТНУ, между ними существуют значительные различия, которые необходимо учитывать.
При потребности в большей разности температур между теплоприемником и теплоотдатчиком повышается отношение давлений к конденсации и испарения. В этом случае, обычно, переходят от одноступенчатого сжатия в компрессоре к двух- и многоступенчатому. Во избежание вакуума на входе в компрессор и больших величин к целесообразно применение каскадных схем.
Преимущество каскадных установок заключается в возможности преобразования теплоты в широком интервале температур, так как для каждого цикла подбирается рабочее тело с наиболее благоприятными свойствами в требуемых пределах изменения его параметров.
Теплота, получаемая в комбинированных установках, может использоваться в самых различных целях, в том числе: в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, в торговых сетях, на предприятиях общественного питания, для кондиционирования воздуха, отопления и горячего водоснабжения общественных и жилых помещений в районах, где применение теплофикации экономически нецелесообразно, для опреснения морской и засоленной воды, в спортивных сооружениях, машиностроении, химической промышленности, авиации и космонавтике, радиотехнике и электронной технике.
Анализ современного состояния темы исследования показал следующее: существующие математические модели не позволяют достаточно полно определить характеристики отдельных элементов установки; известные результаты экспериментальных исследований получены для относительно узкого диапазона изменения режимных параметров; неопределены рациональные диапазоны использования комбинированных каскадных тепловых насосов; необходимо уточнение конструктивных схем: в существующих конструкциях каскадных тепловых насосов замена регенеративного теплообменника охладителем пара может существенно расширить температурный диапазон применения; отсутствует методика определения термодинамической эффективности различных способов одновременного теплохладоснабжения.
Во второй главе получены уточненные математические модели основных элементов теплового насоса. Подробно рассмотрены характеристики компрессорного и теплообменного оборудования, входящего в состав парокомпрессионных теплонасосных установок. Предложена модель расчета термогазодинамических свойств рабочих тел, используемых при ступенчатом повышении температурного потенциала тепловыми насосами. Разработаны уточненные математические модели для основных процессов и элементов комбинированных каскадных теплонасосных установок, работающих в широком диапазоне режимных параметров с различными рабочими телами.
Несмотря на значительное разнообразие принципов действия и конструктивных особенностей основных элементов ПТНУ, их можно разделить на две группы: компрессоры и теплообменные аппараты.
Математическое представление процесса сжатия рабочего тела в компрессоре теплового насоса описывается следующими зависимостями: sвх=f(рвх, hвх), hвых=hвх+(hвх- hад)/во.км, N=G(hвых-hвх)/ м.
Система уравнений, описывающая работу конденсаторов каскадного ТН, включает следующие зависимости:
- уравнение теплового и материального балансов конденсатора верхней ступени:
Gтнс(hвыхтнс - hвхтнс)=в [Gрт2 (h вхрт2-h выхрт2)], (1)
- уравнение теплопередачи:
F= Gтнс(hвыхтнс - hвхтнс) зап2/(Tлвkкд), (2)
- уравнение теплового и материального балансов конденсатора-испарителя:
Gрт1 (h выхрт1-h вхрт1)= Gрт2 (h вхрт2-h выхрт2)], (3)
- уравнение теплопередачи:
F=Gрт1 (h выхрт1-h вхрт1)зап1/(Tлкд-иkкд-и)=Gрт2 (h вхрт2-h выхрт2)зап2/(Tлкд-иkкд-и).(4)
Зависимости для определения логарифмического температурного напора для верхней ступени каскада:Тнасрт2=fнас(pсррт2),Твхтнс=f(pвхтнс,hвхтнс),Твыхтнс=Tнас-Тk,
. (5)
Зависимости для определения логарифмического температурного напора в конденсаторе-испарителе: Тнасрт1=fнас(pсррт1), Ти рт2=f(pи рт2), т.к. Тнасрт1 и Ти рт2 являются постоянными величинами, то:
. (6)
Для разделения тепловых потоков в теплонасосную систему рекомендуется включать пароохладитель. Система уравнений, описывающая работу пароохладителя, включает следующие зависимости:
- уравнение теплового и материального балансов:
Gтнс(hвыхтнс - hвхтнс)=пар [Gрт2 (h вхрт2-h выхрт2)], (7)
- уравнение теплопередачи:
Fпар= Gтнс(hвыхтнс - hвхтнс) зап2/(Tлвkпар). (8)
Зависимости для определения логарифмического температурного напора для пароохладителя: Твхтнс=f(pвхтнс,hвхтнс), Твыхтнс=Tнаг-Тk,
. (9)
Процесс теплообмена в испарителе теплового насоса, использующего наружный воздух в качестве источника низкопотенциальной теплоты, описывается следующей системой уравнений:
-уравнение теплового и материального балансов:
Gнв(hвхнв - hвыхнв)=в [Gрт1 (h выхрт1-h вхрт1)], (10)
- уравнение теплопередачи
F= Gнв (h вхрт1-h выхрт1) зап1/(Tлнkн). (11)
Зависимость для определения логарифмического температурного напора:
, (12)
где Твхнв=f(pвхнв,hвхнв), Твыхнв=Tи+Тk.
Зависимость для определения коэффициента теплопередачи:
. (13)
Приведенный коэффициент теплоотдачи пр определяется по формуле:
. (14)
Решение представленной системы уравнений проводится численным методом Зейделя. В качестве переменных системы (итерационно уточняемых переменных) приняты перепады давлений по воздушному тракту и тракту рабочего тела и коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к стенке трубы.
В третьей главе рассмотрены особенности рабочих тел и основных конструктивных элементов каскадного теплового насоса. Предложены рекомендации по выбору оборудования для проектирования систем с комбинированными каскадными и бескаскадными тепловыми насосами, при их работе с различными теплоотдающими и теплопринимающими средами. Представлены методы решения проблем, возникающих при конструировании ТНУ.
Энергетическая эффективность и металлоёмкость тепловых насосов в значительной степени определяется обоснованным выбором рабочего тела. Для внедрения новых эффективных озонобезопасных смесей веществ необходимо знать их химические и термодинамические свойства, которые получают из уравнений состояния смесей.
Компрессоры в тепловых насосах предназначены для отсасывания пара из испарителя(поддержание пониженного давления кипения) и сжатия пара до давления конденсации. Но компрессоры, хорошо освоенные и широко используемые в холодильных системах, не всегда могут найти применение в теплонасосных установках, поскольку:
- Тепловой насос работает при более высоких температурах конденсации и отношении давлений, чем холодильная машина, что создает более напряженные условия и для хладагента и для компрессора.
- Тепловой насос работает с максимальной нагрузкой большее количество часов в году, чем холодильная установка или кондиционер (кроме домашних тепловых насосов), и это также повышает нагрузку на компрессор.
- Тепловой насос должен экономически конкурировать с другими генераторами теплоты, такими как газовые котельные или электрические нагреватели, поэтому должен иметь низкую стоимость, малые эксплуатационные затраты и длительный срок службы.
В четвертой главе разработана методика расчета парокомпрессионного теплового насоса с учетом особенностей каскадных комбинированных систем. Проведено сравнение ККТН с двухступенчатыми ТНУ. Эффективность работы каскада с использованием для каждой ступени оптимального рабочего тела на 6…32% процента выше, чем у аналогичных по производительности двухступенчатых систем.
В идеальном цикле трансформации теплоты удельные количества теплоты и работы, отнесенные к 1 кг рабочего тела, определяются следующими уравнениями:
1. Отвод теплоты от теплоотдатчика: qн=Tнs. (15)
2. Затраты работы, равные разности работ компрессора и детандера:
l=lкм- lд=(Тв—Tн) s. (16)
3. Отвод теплоты к теплоприемнику: qв=Tвs. (17)
Тогда удельное количество работы будет равно:
l=lкм- lд= qв – qн,. (18)
Удельные затраты эксергии в идеальном цикле, отнесенные к единице теплоты, отведенной от теплоотдатчика с температурой Тн:
eх=l/qн=(Тв-Тн)/Tн= Тв/Tн – 1. (19)
Нетрудно показать, что при Тв=Тос величина eх= - х, т. е. удельные затраты эксергии в идеальном рефрижераторном цикле равны по абсолютному значению коэффициенту работоспособности теплоты х с температурой Тн. При Тв>Тос :
eх=- х+ Тв/Tн, (20)
где Тв = Тв - Тос.
Удельные затраты работы в идеальном цикле, отнесенные к единице теплоты, отданной теплоприемнику на температурном уровне Тв:
eтн=l/qв=(Тв-Тн)/Tв= 1–Тн/Tв. (21)
При Тн=Тос величина етн= тн, т. е. удельная затрата эксергии в идеальном теплонасосном цикле равна коэффициенту работоспособности теплоты с температурой Тв. При ТнТос :
eтн= тн - Тн/Tв, (22)
где Тн = Тн - Тос.
Величины eх и eтн безразмерные. Каждая из них численно равна количеству работы, которую необходимо затратить для получения в идеальных условиях с помощью трансформатора теплоты одной единицы холода(1 кДж) на температурном уровне Тн или одной единицы теплоты(1 кДж)на температурном уровне Тв.
Верхний предел удельного расхода работы для теплонасосной установки eтн = 1, соответствующий отношению Тн/Тв = Тос/Тв=0, показывает, что при температуре теплоприемника Tв удельный расход работы в идеальном цикле равен тепловому эквиваленту затраченной механической (электрической) энергии. Это значит, что при постоянной температуре теплоотдатчика Тн= Тос =const удельный расход работы в тепловом насосе с повышением температуры теплоприемника непрерывно возрастает. При очень высоких значениях Тв удельный расход работы делается практически таким же, как и в обычном электрическом нагревателе, и, следовательно, в этих условиях применение теплового насоса не имеет смысла.
Нижний предел удельного расхода работы eх=eтн=0, соответствующий отношению Тн/Тв=1, показывает, что при Тн=Тв, когда теплоприемник и теплоотдатчик находятся на одном температурном уровне, использование трансформатора теплоты теряет смысл.
Расчет цикла ККТН (рис.1) дал следующие результаты. Для нижней ступени(рабочее тело R22): холодопроизводительность испарителя 2,801 кВт, массовый расход рабочего тела 58,9кг/ч, потребляемая мощность электродвигателем компрессора1,17кВт. Для верхней ступени(рабочее тело R134а): теплопроизводительность конденсатора 5,345 кВт массовый расход рабочего тела 112,1кг/ч, потребляемая мощность электродвигателем компрессора 1,91кВт. Теплопроизводительность охладителя пара 3,172 кВт. Общие характеристики цикла: коэффициент эффективности цикла Карно к=(Т7+Т1)/(Т7 - Т1)= 5,458; коэффициент эффективности =3600(Qи1+Qкд2+Qпар)/(G1 l1+ G2 l2)= 4,874; эксергетический КПД е = / к=0,893; холодильный коэффициент =qи1/l1=3,139; коэффициент трансформации теплоты µ = (Qкд2 +Qи1+Qпар)/Nкм=3,675.
Рис.1. Комбинированный каскадный цикл в диаграмме Т-s.
Пятая глава содержит описание экспериментальной установки и результаты экспериментальных исследований ККТН. В ходе проведения экспериментальных исследований была доказана состоятельность предложенных в работе методик расчета и подбора элементов конструкции ККНТ. Уточнены временные интервалы режимов оттаивания воздушного испарителя, работающего при низких температурах. Подтверждены расчетные характеристики экспериментальной установки(рис.2). Даны рекомендации для проектирования функциональных узлов каскадного теплового насоса.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - теплоизолированная камера; 2 - воздухоохладитель(испаритель первой ступени каскада) LUC440E; 3 - терморегулирующий вентиль; 4 – логгер температуры/влажности testo 175 h2; 5 - отделитель жидкости; 6 – виброизолятор; 7 –компрессор первой ступени 2FC-2.2; 8 – реле низкого давления; 9 – реле высокого давления; 10 – обратный клапан; 11 - конденсатор-испаритель SL70TL-10; 12 – ресивер; 13 – соленоидный вентиль; 14 – индикатор влажности; 15 – фильтр осушитель; 16 – регулятор давления испарения; 17 - регулятор давления всасывания; 18 - компрессор второй ступени 2GC-2.2Y; 19 – двухконтурный пароохладитель; 20 – конденсатор второй ступени CB27-14H; 21 – запорный вентиль; 22 – бак отепленной воды; 23 – бак охлажденной воды; 24 – фильтр-грязевик; 25 – циркуляционный насос плавного регулирования Calpeda; 26 - реле протока; 27 – электронный анализатор холодильных систем testo 556-1.
Для нижней ступени(рабочее тело R22): холодопроизводительность испарителя 2,801 кВт, массовый расход рабочего тела 58,9кг/ч, потребляемая мощность электродвигателем компрессора1,17кВт.
Для верхней ступени(рабочее тело R134а): теплопроизводительность конденсатора 5,345 кВт массовый расход рабочего тела 112,1кг/ч, потребляемая мощность электродвигателем компрессора 1,91кВт. Теплопроизводительность охладителя пара 3,172 кВт.
Пары хладагента, сжатые в компрессоре нижней ступени 7, после охладителя пара 19 поступают в конденсатор-испаритель 11. Рабочее тело верхней ступени поступает в компрессор 18, где происходит его сжатие, после чего рабочее тело верхней ступени поступает в пароохладитель 19, внутри которого протекает вода. Рабочие тела обеих ступеней, проходя внутри охладителя пара, охлаждаются и затем попадают в пластинчатые конденсаторы 20 верхней и 11 нижней ступени, в которых конденсируются, а выделяющаяся теплота отводится к нагреваемой воде и к рабочему телу верхней ступени соответственно.
На всасывающем трубопроводе верхней ступени компрессора установлены регуляторы давления всасывания 17 и испарения 16, которые сглаживают «броски» давления при испарении хладагента и защищают компрессор от кратковременных избыточных давлений.
Уменьшение потерь теплоты достигается за счет использования герметичной камеры из пенополиуретана с толщиной стенки 120мм и теплоизоляции трубопровода,конденсаторов и пароохладителя.
Для измерения параметров на трубах установлены датчики температур и давлений с электрическим сигналом на выходе. Общий вид экспериментальной установки показан на рис.3.
Рис.3.Экспериментальная установка.
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис.4 и 5.
Рис.4. Экспериментальные характеристики верхней ступени каскада(рабочее тело R134a).
Рис.5. Экспериментальные характеристики нижней ступени каскада(рабочее тело R22).
Расчетную разницу температур в конденсаторе-испарителе поддерживает регулятор давления 16(рис.3), что обеспечивает стабильность давления кипения рабочего тела ри2 (рис.4) около 4 бар в верхней ступени и давления конденсации рк1(рис.5) в нижней ступени. Давление конденсации рк2, также оставалось стабильным (~30 бар). Температура воды на выходе из пароохладителя tв(рис.4) постоянно повышалась, за счет поступления теплоты от первой ступени каскада. Температуры перегретого пара tн2 и tн1, имеют нестабильно циклический характер, что связано с работой поршневого компрессора. На нижней ступени температура перегретого пара tн1, по сравнению с температурой нагнетания tн2 в верхнем цикле, имеет меньшие колебания, что объясняется большей объемной производительностью компрессора. Резкое падение температуры tн2 в 14ч.42 мин. и 16ч.47мин. связано с включением режима оттаивания испарителя.
Давления кипения хладагента в испарителе ри1, конденсации хладагента в конденсаторе рк1 и температура всасываемых паров хладагента tвс1 оставались стабильными в расчетных диапазонах из-за постоянства температуры и количества теплоты теплоисточника.
В шестой главе приведена методика оценки различных способов теплохладоснабжения с использованием коэффициента термодинамической эффективности. Получены результаты технико-экономического сравнения комбинированного производства теплоты и холода с альтернативными вариантами раздельного теплохладоснабжения. Представлены технические решения по комплексному использованию низкопотенциальной теплоты от систем холодоснабжения в системах теплоснабжения молокоперерабатывающего комбината, магазина самообслуживания и цеха по переработке мяса птицы с применением парокомпрессионных тепловых насосов.
Термодинамическая эффективность систем тепло- и хладоснабжения, с точки зрения экономии первичной энергии, определяется количественным сравнением затрат топлива (первичной энергии) на выработку электрической энергии для привода компрессоров ККТН с затратами топлива при раздельном производстве теплоты и холода.
Коэффициент термодинамической эффективности К системы для совместного производства теплоты и холода комбинированным каскадным тепловым насосом определяется уравнением: К1= (ээс(µ-1)) /2. (23)
При раздельном производстве теплоты котельной установкой и холода холодильной машиной коэффициент термодинамической эффективности:
К2=1/[1/(хмээс)+ (хм+ 1)/ ((хм - 1)ктс)]. (24)
Для раздельной работы газового котла и холодильной машины:
К3=1/[1/(хмээс)+ (хм+ 1)/ ((хм - 1)г)]. (25)
При раздельном производстве теплоты тепловым насосом и холода холодильной машиной: К4=[ээс] / [1/ хм+ (хм+µтн + 1)/ ((хм+µтн - 1)µтн)]. (26)
При раздельном производстве теплоты на ТЭЦ и холода холодильной машиной: К5=1/[1 /(хмээс)+ (хм + 1)/ ((хм - 1)ктс)]. (27)
При раздельном производстве теплоты электрическим нагревателем и холода холодильной машиной:
К6=[ээс]/[1/ хм+ ( хм+ 1)/ (хм - 1)]. (28)
Для исходных данных, представленных в табл.1, величины коэффициентов К1…К6 полученных по формулам (23)…(28), приведены в табл. 2.
Таблица 1. Исходные данные для расчета коэффициентов термодинамической эффективности.
| Характеристики | Значение |
| КПД выработки электроэнергии э на КЭС | 0,25…0,6 |
| КПД выработки электроэнергии э на ТЭЦ | 0,3…0,5 |
| КПД выработки теплоты к в котельной | 0,8…0,9 |
| КПД выработки теплоты к на ТЭЦ | 0,55…0,65 |
| КПД выработки теплоты в газовом котле г | 0,7…0,95 |
| КПД тепловых сетей тс | 0,9…0,95 |
| КПД электрических сетей эс | 0,95…0,97 |
| Комбинированная каскадная установка | |
| Температура испарения tи °C рабочего тела R22 нижней ступени | -25 |
| Температура конденсации tк, °C рабочего тела верхней R134a ступени | 85 |
| Мощность, потребляемая компрессорами Nкм, кВт | 3,35 |
| Коэффициент трансформации µ | 2,083 |
| Холодильная машина | |
| Температура испарения tи °C хладагента R22 | -25 |
| Температура конденсации tк, °C хладагента R22 | 45 |
| Мощность, потребляемая компрессором Nхмкм, кВт | 2,03 |
| Холодильный коэффициент | 1,49 |
| Тепловой насос | |
| Температура испарения tи, °C рабочего тела R134a | 10 |
| Температура конденсации tк, °C рабочего тела R134a | 80 |
| Мощность, потребляемая компрессором Nтнкм, кВт | 1,91 |
| Коэффициент трансформации µ | 1,47 |
Таблица 2. Термодинамические коэффициенты для различных вариантов тепло- хладоснабжения.
| Выработка электроэнергии | K1 | К2 | К3 |
| КЭС | 0,1286…0,3152 | 0,1012…0,1409 | 0,0992…0,1538 |
| ТЭЦ | 0,1543…0,2626 | 0,1062…0,1365 | 0,1040…0,1483 |
| Выработка электроэнергии | К4 | К5 | К6 |
| КЭС | 0,1161…0,2845 | - | 0,0413…0,1012 |
| ТЭЦ | 0,1393…0,2371 | 0,0792…0,1040 | 0,0495…0,0843 |
Примером применения ККТН является проект реконструкции системы отопления магазина самообслуживания торговой площадью 465 м2.
Рис.6. Схема каскадного ТН для отопления магазина самообслуживания.
1 - газообразный хладагент от потребителя(торговое оборудование); 2 - компрессор первой ступени; 3 - ресивер; 4 - конденсатор воздушного охлаждения; 5 - конденсатор –испаритель; 6 - компрессор второй ступени; 7 - пароохладитель; 8 - конденсатор водяного охлаждения; 9 – ресивер; 10 – подача воды в систему отопления.
Идея данной схемы заключается в возврате теплоты, отнимаемой открытым холодильным оборудованием, расположенным в торговом зале, в баланс энергетической системы здания. Режим подачи теплоносителя в систему отопления 90…70 оС. Потребляемая тепловая мощность в зимний период 73 кВтч.
Система холодоснабжения состоит из двух двухкомпрессорных установок: среднетемпературной холодопрроизводительностью 43 кВт при температурах кипения -8оС и конденсации 45оС и низкотемпературной 12 кВт при температурах кипения -25 оС и конденсации 45оС.
После составления энергетического баланса потребления теплоты и холода было выявлено, что для обеспечения здания тепловой энергией достаточно утилизировать теплоту конденсации только от среднетемпературной установки с поднятием её уровня до близкого к графику подачи теплоносителя. Это позволяет избежать увеличения площади теплообменных поверхностей отопительных приборов и значительного увеличения расхода теплоносителя внутри системы с соответствующей заменой насосного оборудования.
Параллельно с конденсатором воздушного охлаждения 4 компрессора первой ступени 2 установлен конденсатор-испаритель 5.
Второй контур каскадного теплового насоса производит нагрев теплоносителя от температуры 55…60оС до температуры 76…80оС.
Реализация этого проекта дала следующие результаты: теплопроизводительность каскадного ТН Qх =72 кВт; холодопроизводительность каскадного ТН Qт =43 кВт; коэффициент трансформации теплоты µ=2,4; срок окупаемости проекта равен 4 отопительным сезонам; сокращение выбросов вредных веществ в атмосферу составляет 538 кг в год на 1 кВт получаемой теплоты, в каскадном ТН.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Предложены уточненные математические модели для основных элементов комбинированного каскадного теплового насоса.
- Аналитически и экспериментально доказано, что комбинированный каскадный тепловой насос обеспечивает высокую энергетическую эффективность в широком диапазоне изменения температур испарения -30... 0 °С(для первой ступени) и конденсации 40... 85 °С (для второй ступени).
- Разработана методика определения коэффициентов термодинамической эффективности различных способов теплохладоснабжения.
- Комбинированная установка при температурах испарения tи1 = -25 °С и конденсации tкд2 = 85 °С может обеспечить термодинамически более выгодное производство теплоты и холода, чем холодильная машина, работающая одновременно с тепловым насосом, котельной, ТЭЦ, газовым отопительным аппаратом и электронагревательным аппаратом.
- Коэффициент термодинамической эффективности комбинированного каскадного теплового насоса на 10…210% выше соответствующих коэффициентов других способов одновременного получения теплоты и холода.
- При использовании в комбинированном цикле фреонов R134a и R22 эффективная рабочая зона работы установки находится в пределах изменения температуры конденсации второй ступени каскада tкд2 = 80…120 °С и температуры испарения первой ступени каскада tи1 = - 20... - 35 °С.
- Предложена схема комбинированного каскадного теплового насоса, обеспечивающая повышение эффективности работы установки в расширенном диапазоне температур.
- Полученные соотношения для определения эксергетического коэффициента полезного действия e=f (Tи1, Tкд2), степени сжатия компрессора первой ступени к1 = f (Tи1, Tкд1), степени сжатия компрессора второй ступени к2 = f (Tи2, Tкд2), коэффициента трансформации µ= f (Tи1, Tкд2), суммарной потребляемой компрессорами мощности N км= f (Tи1, Tкд2) позволяют сформировать требования к комбинированным каскадным тепловым насосам и рекомендации по реализации конкретных схем установок совместного производства теплоты и холода.
- Использование комбинированного каскадного теплового насоса сокращает расходы на теплоснабжение предприятия. Вложение инвестиций в данную систему окупается в течение 3…4 лет.
- Использование каскадного комбинированного теплового насоса для отопления вместо котельной на мазуте сокращает выбросы вредных веществ в атмосферу на 538 кг в год на 1 кВт теплопроизводительности теплового насоса.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А- полная поверхность с наружной (воздушной) стороны; Авн - полная поверхность с внутренней стороны трубы; Aгл- площадь участков несущей поверхности без ребер с воздушной стороны; Aрб – площадь поверхности ребер с воздушной стороны; В – расход топлива; е – удельная эксергия; F- площадь поверхности нагрева; G – массовый расход, кг/ч; g - ускорение свободного падения; h – энтальпия, кДж/кг; hад – энтальпия рабочего тела в конце идеального (адиабатического) процесса сжатия до выходного давления, кДж/кг; К - коэффициент теплопередачи; l – удельная массовая работа, кДж/кг; N – потребляемая электрическая мощность, кВт; р – давление, Па, бар; Qи, Qх– холодопроизводительность, кВт; Qкд – теплота конденсации, кВт; QPH — низшая рабочая теплота сгорания топлива; Qт — теплопроизводительность кВт; q – удельная массовая теплота, кДж/кг; R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314·103 Дж/(кмоль ·К); s – энтропия, Дж/кгК; Т, t – температура рабочего тела, К, оС; Tл - логарифмический температурный напор; V - удельный объем; W- скорость воды или пара; – коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к поверхности; k - коэффициент теплоотдачи конвенцией при поперечном омывании пучков труб с поперечными ребрами; пр - приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха к трубе; – холодильный коэффициент; – коэффициент полезного действия; е – эксергетический КПД; µ - коэффициент трансформации теплоты; v — мольный объем, м3/кмоль; к – степень сжатия рабочего тела в компрессоре(отношение давление испарения и конденсации); - коэффициент эффективности ребра; - коэффициент, учитывающий влияние уширения ребра к основанию; – коэффициент работоспособности теплоты; – коэффициент эффективности; к – коэффициент эффективности цикла Карно; - коэффициент загрязнения; pб - коэффициент, учитывающий неравномерную теплоотдачу по поверхности ребра;
ПОДСТРОЧНЫЕ И НАДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ
1, 2- показатель ступени каскада; n - номинальный параметр; в- теплоприемник; во- внутренний относительный; вх- входной параметр; вых- выходной параметр; г- газовый агрегат; гт- гидравлическое трение; д- детендер; зап- запас; и- испарение; к- котельная; кд- конденсация; кд-и- конденсатор-испаритель; км- компрессор; кр- критическая точка рабочего тела; м- математический; мп- местные потери; н- теплоотдатчик; наг- нагнетание; нас- насыщения; нв- наружный воздух; ос- окружающая среда; пар-охладитель пара; пред- предельный; рт- рабочее тело; ср- средний; тн- теплонасосный, теплонасосный цикл; тнс- теплоноситель; тс- тепловые сети; х- холодильный, холодильный цикл; хм- холодильная машина; э- выработка электроэнергии; эс- электрическая сеть.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Панкосьянов, Д. Н. Теплохладоснабжение производственного помещения [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Технические науки. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2006. – С. 138-141.
2 Панкосьянов, Д. Н. Использование универсальной теплонасосной установки в производственном помещении [Текст] / Д. Н. Панкосьянов, Л. М. Дыскин // Инженерные системы /АВОК–Северо-Запад. – СПб., 2006. – № 2. – С. 36-37.
3. Панкосьянов, Д. Н. Актуальность использования теплонасосных систем [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Великие Реки / ICEF 2006 (экологическая, гидрометеорологическая, энергетическая безопасность). – Н. Новгород, 2006. – Вып. 8. – С. 172-173.
4. Панкосьянов, Д. Н. Использование принципа каскада в тепловом насосе [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Технические науки. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2007. – С. 126-129.
5. Панкосьянов, Д. Н. Утилизация «бросовой» теплоты холодильных установок [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Великие Реки / ICEF 2007 (экологическая, гидрометеорологическая, энергетическая безопасность). – Н. Новгород, 2007. – Вып. 9. – С. 314-316.
6. Панкосьянов, Д. Н. Применение каскадного теплового насоса для совместной выработки теплоты и холода [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири : сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. – Тюмень : ТюмГАСУ, 2007. – С. 77-79.
7. Панкосьянов, Д. Н. Теплохладогенерирующая установка «ТОКУ» [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Кат. к форуму «Российский дом будущего. Долгосрочная стратегия массового строительства жилья в России». – М. : Эксперт, 2007. – С. 31-33.
8. Панкосьянов, Д. Н. Инновационный проект: «Перспектива использования энергосберегающего оборудования и альтернативных источников энергии в системах отопления, вентиляции, ГВС и кондиционирования на объектах ООО «Волготрансгаз» [Текст] / Д. Н. Панкосьянов, Д. Е. Лаптев // ХI Конф. молодых специалистов ОАО «Газпром». – Н. Новгород : ООО «Волгатрансгаз», 2007. – С. 212-217.
9. Панкосьянов, Д. Н. Теплохладогенерирующая установка «ТОКУ» [Текст] / Д. Н. Панкосьянов, Д. В. Мурыгин, А. А. Сулейманов // Кат. первого областного конкурса молодёжных инновационных команд «РОСТ» («Россия-Ответственность-Стратегия-Технологии). – Н. Новгород, 2007. – С. 126-129.
10. Панкосьянов, Д. Н. Комбинированный каскадный тепловой насос [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // XIII Нижегородская сессия молодых учёных (технические науки). – Нижегор. обл. : Департамент образования Нижегор. обл., 2008. – С. 435-436.
11. Дыскин, Л. М. Эффективное использование каскадных теплонасосных систем [Текст] / Л. М. Дыскин, Д. Н. Панкосьянов // Приволжский научный журнал. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2008. – № 1. – С. 26-29. – По списку ВАК.
12. Панкосьянов, Д. Н. Совместное производство теплоты и холода комбинированной установкой «ТОКУ» [Текст] / Д. Н. Панкосьянов, А. А. Сулейманов // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : сб. материалов VI Междунар. науч. конф. – Волгоград : ВолгГАСУ, 2008. – С. 173-177.
13. Панкосьянов, Д. Н. Описание фреонов и их смесей, как основных рабочих тел для холодильных машин и тепловых насосов [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Промышленная безопасность-2009: сб. ст. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2009. – С. 198-203.
14. Панкосьянов, Д. Н. Практическое применение каскадного теплового насоса [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Холодильная техника. – 2009. – № 2. – С. 58. – По списку ВАК.
15. Панкосьянов, Д. Н. Особенности эксплуатации одноступенчатых и двукаскадных тепловых комбинированных насосов [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Технические науки. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2009. – С. 158-162.
16. Панкосьянов, Д. Н. Перспективы использования энергосберегающих технологий в системах теплохладоснабжения [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Приволжский научный журнал. – Н. Новгород : ННГАСУ, 2009. – № 2. – С. 52-58. – По списку ВАК.
17. Панкосьянов, Д. Н. Характеристики энергоэффективности теплоохлаждающей установки [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : сб. материалов VII Междунар. науч. конф. – Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. – С. 176-181.
18. Панкосьянов, Д. Н. Каскадная теплонасосная установка «ТОКУ» [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях : сб. науч. докл. I Междунар. науч.-практ. конф. – М. : МГСУ, 2009. – С. 411-412.
19. Панкосьянов, Д. Н. Определение энергетической эффективности комбинированного теплового насоса [Текст] / Д. Н. Панкосьянов // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции : сб. III Междунар. науч. конф. – М. : МГСУ, 2009. – С. 68-70.
Подписано в печать 05.02.07. Формат 6084 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 13.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе, 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
