Главная » 2011 » Ноябрь » 11 » Схемы, основные параметры, расчет и характеристики тепловых насосов.
21:06
Схемы, основные параметры, расчет и характеристики тепловых насосов.
Тепловые насосы Использование теплонасосных установок в народном хозяйстве — одно из важных направлений исследований и разработок в области сбережения энергии. С помощью тепловых насосов осуществляется использование низкопотенциальных (т. е. нагретых всего до 20—50°С) тепловых отходов. Общая установленная мощность теплонасосных установок (ТНУ) в мире пока не превышает 100 МВт; однако установлено, что к 2000 году она возрасла более чем в 1000 раз. В СССР используется несколько ТНУ общей мощностью около 1 МВт. Многочисленные отечественные и зарубежные публикации свидетельствуют о том, что в ТНУ наибольшее применение находят парокомпрессионные установки, работающие на фреонах. Значение Gk ДОЛЖНО быть определено с учетом расхода пара, отсасываемого вспомогательным эжектором. В настоящее время ТНУ с целью утилизации низкопотенциальной теплоты разрабатываются и совершенствуются в двух направлениях. , 1. Для централизованного теплоснабжения проектируртся крупные теплонасосные станции (ТНС), включающие парокомпрессионные ТЙУ и водогрейные котлы. Электрическая мощность ТНУ на таких станциях достигает 20—30 МВт, тепловая мощность 400—450 гДж/ч. При сравнении с традиционными котельными экономия топлива на таких ТНС составляет 20—30 %. Существенно снижается загрязнение воздушного бассейна. В институте ВНИПИэнергопром (Всесоюзный научно-исследовательский !проектный институт энергетической промышленности) закончена разработка технико-экономического обоснования двух крупных ТНС: Ново-Курьяновской и Люберецкой станции аэрации. По расчетам годовая экономия условного топлива в первой составит 39 тыо. т, во второй —7 тыс. т. 2. Для децентрализованного теплоснабжения целесообразно использовать парокомпрессионные ТНУ малой мощности и термоэлектрические полупроводниковые тепловые насосы (ТПТН). Децентрализованное теплоснабжение характеризуется высокими удельными расходами топлива, капитальными вложениями и трудовыми затратами. Более половины добываемого в стране топлива расходуется на теплоснабжение и низкотемпературные процессы в промышленности и сельском хозяйстве. Поэтому рационализация теплоснабжения децентрализованного потребителя существенно влияет на экономию топливно-энергетических ресурсов. Опыт эксплуатации таких установок в Грузии показывает, что экономия топлива в йих по сравнению с мелкими котельными составляет 10—20%'. Рассмотрим на примерах основные схемы использования ТНУ и их показатели. Применение ТНУ в открытых системах теплоснабжения позволяет получать существенную экономию топлива. На схеме рис. 9.25 показана принципиальная схема ТНУ для открытой системы теплоснабжения. Теплонасосная установка, состоящая из испарителя Д компрессора X конденсатора 5, переохладителя 4 и дросселя 5, предназначена для подогрева сетевой воды от температуры п до 'СТНУ . Окон¬чательный, нагреэ сетевой воды до температуры Т2 осуществляется в пиковой водогрейной котельной 8. Подпиточная вода нагревается в переохладителе проходит химводоочистку 6 и деаэрацию в деаэраторе 7 и смешивается с водой из обратной линии. Из графика на рис. 9.26 видна экономия топлива, получаемая при использовании ТНС. Величина АВ определяется как разность расходов топлива котельной (Як) и ТНС {5тнс) при одинаковой тепловой нагрузке потребителя. Значения А5, %, отнесенные к расходу топлива котельной, представлены на графике в зависимости от температуры, до которой сетевая вода нагревается в конденсаторах ТНУ(Т:ТНУ макс)-Расчеты АВ проводились применительно к крупным установкам с годовым производством теплоты 4,19 млн. гДж и расчетной тепловой нагрузкой около 350 МДж/с. Влияние •стнУмакс на экономию топлива зависит от КПД замещаемой котельной гк. При тк=0,77 и Г1к=0,79 экономия топлива с ростом макс заметно возрастает, а при гк=0,84 в диапазоне Умакс = 70-95 °С значение А5 практически не изменяется. Значения коэффициента преобразования 9cf).ROA в зависимости от Умакс определяются штриховой кривой на рис. 9.26. Анализ показателей использования ТНС для нужд централизованного отопления показывает, что при температуре источника низкопотенциальной воды более 10 "^С использование ТНС обеспечивает экономию топлива около ^20 %. К источникам такой воды относятся как подземные геотермальные воды, так и очищенная сбросная вода крупных городских станций аэрации или охлаждающая вода на промышленных предприятиях. - На базе ТНУ создаются также комплексные установки теплохладоснабжения зданий. Установка, схема которой показана на рис. 9,27, созданная в Грузинском политехническом институте им. В. И. Ленина, обеспечивает зимнее отопление и летнее охлаждение зданий. В зимнем режиме вода низкого потенциала (морская, речная или из промышленных стоков) насосом Н прокачивается через испаритель ТНУ (Я), охлаждается на 5—8°С, а образующиеся пары фреона-12 сжимаются в компрессоре /СМ и далее направляются в конденсатор /С//, где нагревают сетевую воду до 50—60°С. Нагретая циркуляционным насосом ЦН сетевая вода проходит через калориферы кондиционер при КД, нагревай воздух помещений. Рис. 9.26. Экономия топлива при использовании ТНС
Рис. 9.27. Теплонасосная установка, работающая по комбинированной схеме
РиC. 9.28. Зависимость коэффициента преобразования фд от температур испарения и конденсации
Охлажденная сетевая вода при температуре около 40 °С поступает в конденсатор, и цикл повторяется. В этом режиме задвижки 5, 4, 8 открыты, задвижки 2, 6, 5, 7 закрыты. В летнем режиме вода, используемая в кондиционерах, охлаждается в испарителе, а вода низкого потенциала подается в конденсатор для отвода теплоты от хладагента. Задвижки 2, 6, 5, 7 открыты, задвижки 1, 5, 4, 8 закрыты. Установки подобного типа используют в санаториях и торговых центрах на Черноморском побережье Кавказа. В качестве теплового насоса использованы серийные холодильные машины ХМ-Ф-У80, pa6oтающие на фреоне-12. Таблица 9.3. Типоразмеры ТНУ на базе серийных холодильных машин На рис. 9.28 показана зависимость коэффициента преобразования <Рд при различных режимах работы системы теплохладоснабжения. Среднее значение величины ф за отопительный сезон составляет около 4. В настоящее время во ВНИПШнергопроме разрабатываются технические проекты на сооружение ряда, теплонасосных установок для промышленных предприятий Москвы/ Перспективный ряд типоразмеров парокомпрессионных ТНУ для централизованного теплоснабжения; который планируется создать на базе серийно выпускаемых холодильных машин, представлен в табл. 9.3. Рабочее тело в установках—фреон-12. 9.4. Трансформация пара низкого давления Ис^пользование водяного пара низкого давления является одним из направлений реализации низкопотенциальных вторичных энергорерурсов. Особенно актуальна эта задача для металлургических предприятий, где в системах испарительного охлаждения печей получают большие количества пара с давлением 0,12—0,47 МПа. По данным некоторых металлургических заводов в доменном, сталеплавильном и прокатном производствах расход пара с такими параметрами достигает 10—-80 т/ч. Вместе с тем непосредственное использование пара низкого давления ограничено. Более полное использование пара от систем испарительного охлаждения теплотехнологическйх объектов целесообразно путем его компримирования до давлений 0,6—1,5 МПа, что может быть достигнуто с помощью пароструйных или механических компрессоров. Использование струйных компрессоррв для повышения давления пара . Одним из недостатков этого способа является необходимость расхода пара высокого давления. Использование механических компрессоров (турбокомпрессоров) возможно в зависимости от конкретных условий предприятий по одной из схем, ,а повышение давления пара осушествляется турбокомпрессором, приводимым в действие от электродвигателя. В варианте рис. 9.29,6 для привода турбокомпрессора используется паровая турбина, работающая на том же паре низкого давления. Такая схема получила название установки с расщепительной трансформацией теплоты [47]. Один из вариантов этой схемы — с повысительной трансформацией теплоты — осуществляется при использовании в турбине пара более высокого потенциала ро>Р2. Целесообразнее всего в этом случае работа турбины с противодавлением, равным рг. Рис. 9.29. Различные схемы использования турбокомпрессора для трансформации пара низкого давления
В варианте рис. 9.29,в пар низкого давления перед поступлением в турбину перегревается в теплообменнике отходящими газами технологического агрегата. Использование отходящих газов с температурой 300-400^С позволяет уменьшить расход пара на привод турбокомпрессора. В 1981 г. кафедрой промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) МЭИ было проведено исследование энергетических показателей приведенных выше схем. Проводилось сравнение по удельной экономии условного топлива на 1 Гкал теплоты, получаемой потребителем. Для принятых давлений на входе в турбокомпрессор pi=0,15 МПа и на выходе р2=1 МПа, при поступлении электроэнергии от КЭС и при условии замещения пара, вырабатываемого котельной, удельная экономия условного топлива АВ составила 72,4; 71,2 и 84,8 кг на 1 Гкал/ч соответственно для вариантов схем рис. 9.29,а—а Приведенные показатели соответствуют КПД турбокомпрессора =0,85 и удельному расходу топлива на КЭС 340 г/(кВт-ч). Была проведена также предварительная оценка возможности использования для повышения давления пара низкого давления первых Цилиндров газовых компрессоров К-380-103-1 и К-380-121-1, выпускаемых Невским заводом им. В. И. Ленина, с соответствующим их переоборудованием.
