|
|
Методические особенности выполненного исследования.12 -расширенное применение методик, позволяющих повысить энергоэффективность тепловых насосв; -применение инженерных методик расчета параметров централизованных систем теплоснабжения, использующих в качестве основного источника теплоты тепловой насос для районных отопительных котельных; локальных систем теплоснабжения, расположенных вблизи ТЭЦ; -применение методик проведения экспериментальных исследований и обработки результатов для составления дипломных проектов и магистерских диссертацти в учебном процессе. Автор защищает: - данные по техническим показателям теплонасосной установки, полученные в результате применения комплекса мероприятий по повышению эффективности ее работы, проведенные в условиях отличающихся от стандартного режима работы теплового насоса; -данные по оценке оптимизаций режима работы централизованной системы теплоснабжения, реализующей бивалентную схему тепловой насос-пиковый котел, определяющие экономическую эффективность целесообразность использования теплового насоса в системе теплоснабжения; - данные по экспериментальному исследованию влияния температуры низкотемпературных источников тепла и потребителя тепла на коэффициент преобразования энергии тепловым насосом, полученные путем применения новых эффективных технологии соединения теплового насоса с когенерационной установкой на основе дизель-генератора. Личный вклад соискателя: -адаптация известной методики определения расходов условного топлива к исследуемому случаю работы котельной, реализующую бивалентную схему тепловой насос -пиковый водогрейный котел; - обеспечение достоверности результатов на базе применения известных методик проведения экспериментов и расчета технико-экономических показателей работы парокомпрессионной теплонасосной установки; - участие в работе по экспериментальному исследованию параметров и режимов работы теплонасосных установок типа вода-вода и воздух-воздух; -обоснование применимости проведения этих исследовании для поиска оптимальных режимов работы теплового насоса при совместной работе с другими источниками тепла; - участие в исследовании влияния низкотемпературных источников и режимов потребителей тепла на работу теплового насоса; -участие в обработке и анализе полученных данных. Апробация работы Результаты исследования докладывались на 6 – ой Международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникация и высшее образование в современных условиях» в г.Алматы, научно-технической конференции « Наука и технологии (Краткие сообщения XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы)» в г.Екатеринбург, на НТС Алматинского университета энергетики и связи. Диссертация выполнялась в рамках плана работы обязательных (бюджетных) научно-исследовательских работ НИР по кафедре «Промышленная теплоэнергетика», утвержденных НАО АУЭС по теме: Исследование энергоэффективных характеристик и режимов работы комбинированной водонагревательной установки ТНУ-СК-водогрейный котел. Публикация материалов работы. Основные результаты работы опубликованы в 9 статьях, в сборниках докладов научно-технической конференции. Объем работы. Основной объем диссертации изложен в 169 с, включая 14 рисунков и 39 таблиц и списка использованной литературы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заканчивается кратким заключением.
Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность темы исследования, научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, сформулированы основные задачи диссертационной работы. В первой главе дана характеристика возможных ВИЭ и возможности применения их для потребителей отдельных районов Казахстана, которые испытывают дефицит электроэнергии и тепла. Указаны основные направления в освоении альтернативных источниках тепла для Казахстана. В качестве альтернативного источника энергии предложена технология освоения тепловых насосов. Даны характеристики низкопотенциальных источников тепла для работы теплового насоса, в виде энергии грунта, грунтовых вод, солнечной энергии, тепла вытяжного воздуха и условно-чистых стоков. Описаны комплексные испытания теплонасосных установок ТНУ, проведенные в реальных условиях в учебном научно-исследовательском центре от ВКГТУ «Теплонасосные установки» в г.Усть-Каменогорск. Из которых следует, что проведенные эксперименты по испытанию тепловых насосов ТП-10,ТП-15 использующих в качестве низкого потенциала теплоту грунтовой воды( Анализ проводился при температуре наружного воздуха до -400С и температуре внутри помещения 18-220С. Технико-экономические показатели использования ТНУ-10 в указанных объектах в сравнении с традиционными теплоисточниками следующие: - к котлу на жидком топливе экономия платы за тепло составляет 32400 - к котлу на твердом топливе 6900 -к электрическому котлу 29160 Комплексные испытания ТНУ на различных объектах производственного назначения наглядно показали эффективность применения ТНУ, при этом коэффициенты преобразования теплоты составили от 4 до 8, то есть при затратах 1 кВт/час электроэнергии на привод ТНУ получено от 4 до 8 кВт/час тепловой энергии. Срок окупаемости затрат для теплового насоса НТ-3000 составляет 2,5 года. В Алматинском университете энергетики и связи научно-исследовательская лаборатория под названием « Центр возобновляемых источников энергии и новых технологий в энергосбережении» занимается созданием бивалентных систем энергоснабжения с частичным замещением энергозатрат нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии. Тепловые насосы, которые нашли широкое распространение за рубежом, в условиях Республики Казахстан имеют совсем ограниченное применение по причине высокой стоимости электроэнергии и оборудования, однако их использование позволяет получить заметную экономию топлива. Отмеченные недостатки существующих систем теплоснабжения определили выбор предмета исследования диссертационной работы, заключающегося в повышении экономической эффективности систем теплоснабжения городов путем использования схем с тепловыми насосами. Во второй главе выделены основные пути совершенствования параметров, повышающих эффективность работы теплового насоса. На эффективную работу теплового насоса влияет тип применяемого рабочего вещества - хладагента, его термодинамические свойства, такие как критическое давление, объемный расход, степень сжатия паров в компрессоре, температура испарения и конденсации, а также экологические свойства, подтверждающие об актуальности использования новых хладагентов, не разрушающих озоновый слой и не вызывающих глобальное потепление. Эффективность работы теплового насоса повышается при совершенствовании конструкции компрессора, обеспечивающего реализацию термодинамического цикла и потребляющего основное количество электроэнергии. Предложена методика улучшения характеристик компрессора путем обеспечения плавного регулирования его производительности. Практически это достигнуто изменением скорости вращения вала с помощью электронных микропроцессорных устройств. Такое регулирование обеспечивает эксплуатацию ТН в расчетном режиме и сокращает до минимума число пусков компрессора. Экспериментальное исследование энергетических характеристик теплонасосной установки типа воздух-воздух с применением частотного преобразователя для регулирования производительности компрессора было проведено в условиях учебной лаборатории кафедры «Промышленная теплоэнергетика» АУЭС. Эксперименты проведены при помощи теплового насоса, разработанного на основе бытового кондиционера БК-1500 и имеющего номинальную холодопроизводительность
КМ-компрессор; ЧП-частотный преобразователь; К-конденсатор; Д-дроссельный вентиль; И-испаритель; W- счетчик электроэнергии. Рисунок 1- Принципиальная схема теплового насоса типа воздух-воздух. Измеренные энергетические характеристики кругового процесса в ТНУ позволили определить энергетические параметры его работы, представленные в таблице 1. Таблица 1.
По результатам экспериментов построены зависимости коэффициента преобразования энергии КОП от числа оборотов компрессора, показывающие об эффективном значении КОП = 5,55
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента преобразования энергии от числа оборотов компрессора По результатам экспериментального исследования работы теплонасосной установки типа «воздух-воздух» построены в R-22 термодинамические циклы в режиме отопления помещения с нименьшим и наибольшим значением коэффициента преобразования энергии.
Рисунок 3. - Термодинамические циклы ТНУ в с наибольшим и наименьшим значением КОП: Цикл (1-2-3-4-1) –соответствует наименьшему значению КОП
Тепловая нагрузка конденсатора зависит от числа оборотов компрессора, ее эффективное значение соответствуют интервалу изменения числа оборотов компрессора
Рисунок 4. –Зависимость тепловой нагрузки конденсатора от числа оборотов компрессора. Предложенная экспериментальная установка позволила определить зависимости основных характеристик (50-180%). Полученные результаты позволяют спроектировать ТНУ с системами качественного регулирования и обеспечат более глубокое регулирование мощности и температурных режимов, лучшее согласование с изменяющимся параметрами источников теплоты, систем кондиционирования, окружающей среды, а также высокую экономичность в процессе эксплуатации. Разность температур между тепловым потребителем и низкопотен-циальным источником теплоты также влияет на эффективность работы теплового насоса. Коэффициент преобразования энергии КОП зависит от разности требуемой температуры потребителя (ТП) и температуры холодного источника (ТНПИТ). Изучение аналитических исследований зависимости КОП от указанных температур для ТНУ, где в качестве хладагента взят аммиак R717 показывают, что при температуре источника теплоты +10 ºС и температуре нагрева теплоносителя + 60 ºС, коэффициент преобразования теплонасосной установки достигает величины 2,53. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигнуть величины ≥ 5. Таким образом, эффективность работы теплового насоса зависит от ряда параметров и факторов, таких как тип применяемого хладагента; совершенствование конструкции теплового насоса, путем изменения производительности компрессора; учета влияния разности температур между тепловым потребителем и низкопотенциальным источником теплоты. В третьей главе проводится анализ централизованных закрытых систем теплоснабжения, в которых в качестве основного источника теплоты используется тепловой насос ТН, а пиковым источником теплоты является котельная на органическом топливе (ПК) (рисунок 5).
Рисунок 5.- Принципиальная совмещенная схема закрытой системы теплоснабжения на бивалентных источниках теплоты ТНУ-пиковый котел Отдельно рассмотрена традиционная схема подогрева сетевой воды в котельной и рассчитаны расходы условного топлива на подготовку сетевой воды. Далее предложена бивалентная тепловая схема пиковой котельной с участием теплового насоса, которая позволяет путем снижения температуры обратной воды и используя ее в качестве источника низкого потенциала, осуществить качественный подогрев сетевой воды. Для оптимизации распределения тепловой нагрузки между ТН и ПК в рассматриваемой системе в качестве целевой функции принят расход топлива, а в качестве параметра оптимизации – температура конденсации рабочего тела
где Q ПК0, Q ПКГ – составляющие тепловой мощности пиковой котельной, обеспечивающей, соответственно, тепловые нагрузки системы отопления и системы горячего водоснабжения. Определив каждую составляющую теплового баланса через расходы теплоносителя и его температуры, расход топлива можно определить так
(2) где Таблица 2. - Исходные данные для решения уравнения (2)
Для определения оптимальной температуры конденсации рабочего тела получены следующее соотношение
Значение температуры сетевой воды после конденсатора в этом случае будет равно
Оптимальное значение температуры конденсации рабочего вещества ТНУ, при заданных режимных и технических параметрах системы, зависит только от температуры рабочего тела в испарителе, конечной разности температур в конденсаторе, температуры нагреваемого теплоносителя на входе в конденсатор, кпд ТН ηТН , кпд пикового котла ηк , кпд электрических сетей ηэс, кпд электрической станции по выработке электроэнергии ηкэ. Значения таких параметров системы, как температуры теплоносителей в подающих линиях СО и СГВ Результаты расчета определения оптимальной температуры подогрева сетевой воды в конденсаторе ТНУ Рисунок 6. – Зависимость
Доля тепловой нагрузки теплового насоса от общей тепловой нагрузки системы теплоснабжения определяется по следующему соотношению:
Из условия
Рисунок 7. -Зависимость Выполнение этого условия выражения (5) означает экономическую целесообразность использования теплового насоса в системе теплоснабжения. Сопоставление двух вариантов расчета централизованных систем теплоснабжения (первый вариант - традиционная пиковая котельная; второй вариант- котельная, работающая совместно с тепловым насосом или только тепловой насос) подтвердило преимущество системы с использованием теплового насоса, так как в них оптимальный расход топлива на 5 В этой главе также рассматривается возможность применения тепловых насосов в работе ЦТП при открытой системе теплоснабжения. Особенностью использования ТНУ в открытой системе теплоснабжения является то, что температура сетевой воды в течение всего года регулируется без нижнего излома температурного графика и догрев сетевой воды идущей на горячее водоснабжение до требуемой температуры осуществляют в ТНУ. При этом конденсатор ТНУ включен по нагреваемой среде в трубопровод ГВС, а испаритель включен по греющей среде в обратный трубопровод теплосети. Новая технология позволяет: - повысить экономичность работы ЦТП; - снизить расход топлива на ТЭЦ при регулировании температуры сетевой воды без нижнего излома температурного графика; - добиться снижения температуры обратной сетевой воды за счет более полного использования ее теплоты в испарителе теплового насоса и увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении.
1 – ТЭЦ; 2, 3 – подающий и обратный трубопроводы теплосети; 4 – тепловой пункт; 5,6 – трубопроводы систем отопления и горячего водоснабжения; 7 – регулятор температуры; 8 – смеситель; 9 – теплонасосная установка; 10 – конденсатор; 11 – испаритель. Рисунок 8 -Принципиальная схема нового способа работы открытой системы теплоснабжения.
Произведена оценка эффективности работы теплонасосной установки при данном режиме с помощью коэффициента преобразования энергии КОП. Рассчитана экономия условного топлива на нагреве теплоносителя в ЦТП при помощи ТНУ мощностью Таблица 3.
Рисунок 3.- Экономия условного топлива при подготовке сетевой воды на ГВС при помощи ТНУ в ЦТП. Четвертая глава содержит описание экспериментальной установки и методику проведения исследования режимов ее работы. В ходе проведения экспериментальных исследовании была доказана состоятельность предложенных в работе методик расчета и новой эффективной технологии соединения теплового насоса с когенерационной установкой. Для повышения эффективности системы теплоснабжения тепловой насос имел привод от двигателя дизель-генератора, выполненного на базе двигателя внутреннего сгорания Д905-ЕВG-2, предназначенного для выработки электрической энергии мощностью - электрическая мощность – 6 кВт (3 фазн.); - теплопроизводительность – 40 кВт; - холодопроизводительность – 22 кВт. Полная принципиальная схема тригенерационной установки приведена на рисунке 8. Из принципиальной схемы следует, что система утилизации тепла выходных газов и тепла утилизируемого из системы охлаждения двигателя (правая часть рисунка) гидравлически не связана с теплонасосной установкой, поэтому работу теплонасосных установок можно рассматривать самостоятельно.
Рисунок 8. – Полная принципиальная схема тригенерационной установки. Для проведения экспериментов с тепловыми насосами была задействована левая часть схемы тригенерационной установки (рисунок 7), работающей на базе двигателя внутреннего сгорания, который обеспечивал привод компрессоров двух тепловых насосов от вала двигателя посредством клиноременных передач.
Рисунок 9. – Принципиальная тепловая схема подключения тепловых насосов и потребителя тепла Экспериментальные исследования проводились с целью проверки работоспособности и оценки эффективности модернизированных тепловых насосов, исследования их параметров при изменении расхода воды через конденсаторы, получения эмпирических зависимостей энергетических характеристик ТН от температур испарения В этой главе также представлены результаты экспериментальных исследования влияния температур низкопотенциального источника теплоты и температурного режима потребителя на коэффициент преобразования теплового насоса. При помощи экспериментального стенда, обеспечивающего работу испарителя теплового насоса от грунтового и сточно-гликолевого теплообменника было исследовано влияние температуры низкопотенциального тепла на основной показатель работы ТНУ, коэффициента преобразования энергии КОП в разные сезоны теплопотребления жилого здания. Изменения температуры наружного воздуха в период проведения исследований в интервале значений от +28 до –15 °С не оказали заметного влияния на величину теплового потока от грунта, расположенного под пятном исследуемого здания. Повышение температуры грунта и сточных вод увеличивают температур в испарителе и приводят к заметному повышению КОП. Тепловой насос работал со средней величиной коэффициента преобразования 
12 Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
120С); воды из водопровода ( 
5832=5,55 раза;
= 1.75 кВт, где в качестве рабочего тела используется фреон R- 22. Питание установки производится от электросети напряжением 220В. Принципиальная схема лабораторной установки, моделирующей работу теплового насоса, приведена на рисунке 1.
, 
, 
, 
, 
, 
7,23 при 
1400 
диаграмме
диаграмме
; цикл (1"-2"-3"-4"-1") – наибольшему значению КОП 
7,23.
1400 
от числа оборотов компрессора и определить возможный диапазон его регулирования
. Уравнение целевой функции имеет вид:
(1)
,
- температура конденсации рабочего тела в тепловом насосе, 0С; 
- температура испарения рабочего тела, 0С; 
- температура теплоносителя в подающей линии системы отопления после ПК, 0С; 
- температура теплоносителя в прямой линии системы горячего водоснабжения после ПК до подогревателя горячей воды, 0С; 
- массовый расход теплоносителя в системе отопления, кг/с; 
- массовый расход теплоносителя в системе ГВС, кг/с; 
- кпд выработки электроэнергии на ТЭЦ; 
- коэффициент собственных нужд ТЭЦ; 
кпд пиковой котельной; 
- кпд теплового насоса; 
- кпд электрической сети; 
- конечная разность температур в конденсаторе ТН,0С. Значения перечисленных параметров приведены в таблице 2.
- КПД электрической сети
(3)
0С. (4)
и 
и массовые расходы теплоносителей 
и 
, оказывают влияние только количественные значения расхода топлива в системе.
и соответствующего ей оптимального расхода топлива 
представлены в виде графической зависимости 
на рисунках 6 и 7.
– на выработку теплоты в системе теплоснабжения, кг.у.т./с.; 
- температура конденсации,0С;
- температура испарения, 0С; 
температура теплоносителя в подающей линии тепловой сети СО; 
температура теплоносителя в подающей линии сети СГВ (перед ПГВ), 0С; 
температура нагреваемого теплоносителя на входе в конденсатор, 0С.
(4)
определяется параметр тепловой эффективности теплового насоса:
(5)
: 
– температура нагреваемого теплоносителя на входе в конденсатор ТН, 0С 
– конечная разность температур в конденсаторе, 0С;
– параметр тепловой эффективности теплового насоса ТН. Из рисунка 6 следует, что при значениях температуры нагреваемого теплоносителя на входе в конденсатор 
600С и температуре испарения рабочего тела 
20С, применение теплового насоса нецелесообразно. При этом параметр тепловой эффективности ТН 
0,186. Таким образом из проведенного экспериментального исследования оптимальных условий применения ТНУ следует, что экономически оправданная граница применимости теплового насоса определяется оптимальной температурой теплоносителя на входе в конденсатор и температурой испарения рабочего тела.
= 3 МВт. Экономия условного топлива увеличивается при понижении температуры прямой сетевой воды с 80 ºС до 67 ºС до 383,8 кг (табл.1) и при постоянном значении температуры обратной воды 40 ºС, о чем свидетельствует характер изменения реальной экономии условного топлива на рисунке 9.
ºС
,
ºС
6,5 кВт. После этапов проектирования и изготовления тригенерационная установка на дизельном топливе прошла стендовые испытания и имеет следующие характеристики:
, а также определения количества затраченного топлива тригенерационной установкой.
3,5, что доказывает эффективную работу системы горячего водоснабжения здания.