
- •Санкт-Петербург
- •Классификация термотрансформаторов
- •Термодинамические основы термотрансформации
- •Парожидкостные компрессионные тт
- •Основные отличия реального цикла от идеального
- •Рабочие тела парокомпрессорных тт
- •Абсорбционные термотрансформаторы
- •Расчет парокомпрессионного теплового насоса
- •Выбор оборудования
- •Условный кпд тепловых насосов
- •Заключение
Рабочие тела парокомпрессорных тт
Хладагенты:
-
аммиак (NH3) – применяется в больших рефрижераторных установках;
-
углекислота (CO2) – применяется на фабриках мороженого;
-
фреоны.
Важный параметр хладагента: нормальная температура кипения Тнк - это температура кипения при атмосферном давлении ( 0,1 МПа ).
Для аммиака: tНК = -33 OC.
Для СO2: tНК = - 35 OC.
Фреоны – это галлоидные соединения вида CNHMClXFYBrZ, полученные на базе предельных углеводородов CNHM (m = 2 n + 2) путем замещения атомов водорода атомами Сl, F, Br. Рассматриваются 4 группы предельных углеводородов: CH4 - метан, С2H6 - этан, C3H8 - пропан, С4H10 - бутан.
Обозначение: RN, где N – номер фреона:
N = (с – 1)(h + 1) f, где с – число атомов углерода;
h - число атомов водорода;
f - число атомов фтора.
Пример: CCl2F2 R12 – фреон 12
СHClF2 R22 – фреон 22
R142 C2H3ClF2
Фреоны, полученные на базе метана называются хладонами (двухзначные номера). При добавлении Br понижается Тнк. При наличии атомов брома справа от номера пишется буква B с указанием числа атомов.
Пример: R12B1 CClF2Br
Для неорганических агентов номер N состоит из трех цифр, первая из которых равна 7, а две последующие цифры составляют атомный вес вещества. Например, для NH3: R717, для H2O: R718.
Кроме чистых хладагентов используют смеси. Это позволяет подобрать требуемую температуру кипения. Обозначение смеси: R12/ R22 (41,4/ 58,6). Cмесь не меняющая своего процентного соотношения при фазовых превращениях называется азеотропной. Обозначение: R500, R501, R502 и др.
Абсорбционные термотрансформаторы
Главное отличие абсорбционных ТТ от парожидкостных заключается в возможности использования не электрической, а тепловой энергии.
Принцип работы – последовательное осуществление термохимических реакций смешения (сорбции) и разделения (десорбции) двух или нескольких рабочих компонентов:
1 компонент – легкокипящая фракция (рабочий агент);
2 компонент – более тяжелая фракция (абсорбент).
Используются только такие рабочие агенты, к которым подобраны свои абсорбенты.
Термохимический компрессор (ТХК) состоит из абсорбера (в нем осуществляется процесс смешения) и генератора (процесс разделения).
Схемы работы:
-
повысительная;
-
расщепительная.
В первом случае трансформация тепла идет от среды с температурой ТН до температуры ТС. Для этого используется внешний источник, температура которого равна ТВ.
Во второй схеме к установке подводится рабочий поток теплоносителя с температурой ТС, который разделяется на два потока: один поток повышает свою температуру до ТВ, а второй – понижает до ТН.
Применяемые хладагенты:
N |
Рабочий агент |
Абсорбент |
Область применения |
|||
1 |
Аммиак |
Вода |
ХЛУ, ТНУ |
|||
2 |
Вода |
LiBr |
ХЛУ |
|||
3 |
Вода |
NaOH, KOH, CaCl2 |
ТНУ |
Главное требование при подборе рабочих компонентов: максимальная разность температур нормального кипения сорбента и рабочего агента для более легкого разделения смеси.
Т = ТНК - ТНК
СХЕМА ИДЕАЛЬНОГО АБСОРБЦИОННОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА (ХЛУ)
Р.А.
Г
QB A
К QК
Смесь
PT
H
Д1 Д2
A
И
QH
Р.А.
QH
Г – генератор;
А – абсорбер;
Н – насос для раствора;
РТ – регенеративный теплообменник;
Д – детандер;
А – абсорбент;
Р.А – рабочий агент.
В идеальной схеме приводом насоса служат две турбины (детандеры).
В абсорбер А идет два потока: абсорбент из генератора (через РТ и Д1) и рабочий агент из испарителя И. В результате смешения – экзотермическая реакция, тепло которой отводится к источнику с температурой ТС (обычно окружающая среда). Смесь перекачивается насосом Н через РТ в генератор для разделения (выпаривания). Для этого в Г подводится внешнее тепло QB при температуре ТВ > ТС. В результате разделения рабочий агент в виде пара идет в конденсатор, в котором происходит отвод тепла QK к источнику ТС, а затем через Д2 идет в испаритель. В испарителе тепло QH отводится от НИТ к рабочему агенту при температуре ТН.
Тепловой баланс: QH + QB = QA + QK
Если потерь нет, то эксергетический баланс: EH + EB = EA + EK
QH H + QB B = (QH + QB) C, где i – коэффициент работоспособности.
Удельные
затраты энергии на производство холода:
СХЕМА ИДЕАЛЬНОЙ АБСОРБЦИОННОЙ ТЕПЛОНАСОСНОЙ
УСТАНОВКИ (РАСЩИПИТЕЛЬНАЯ СХЕМА)
Пар,
QB
(TB)
Г
Вода
Смесь
Д1
Н
И QK
A К
PT
QA
Пар, РС, QИ
ТС
Конденсат
Г – генератор;
РТ – регенеративный теплообменник.
Привод насоса – турбина (схема идеальная).
В абсорбер подводится водяной пар средних параметров PC, TC и абсорбент из испарителя И. В результате термохимической реакции образуется смесь с повышенной температурой.
Смесь поступает в генератор, где тепло смеси через поверхность нагрева отдается воде, в результате чего образуется пар с повышенной температурой
TB > TC > TH, который поступает к потребителю.
Отработанная смесь через Д и РТ направляется в испаритель для разделения. Отделение рабочего агента от абсорбента осуществляется за счет тепла потока пара средних параметров.
Тепловой баланс:
QA + QИ = QB + QK
СХЕМА РЕАЛЬНОЙ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Основные отличия идеальной схемы от реальной:
-
детандеры заменены регулирующими вентилями;
-
для повышения эффективности разделения смеси на исходные компоненты в схему включены процесс ректификации и дефлегматор;
-
все процессы теплообмена протекают при конечных разностях температур, отличных от нуля;
-
для снижения потерь от дросселирования перед регулирующим вентилем устанавливают ОК или РТ.
Схема реальной одноступенчатой абсорбционной ХЛУ:
Р.А. QK
К
Охл. Вода Дф
P
Пар
Р.А.
РК
РТ2
QГ А.
РВ2
РТ1
РВ1
И QO
А
Н А.
QA Пар
Р.А.
РК – ректификационная колонка;
Г – генератор;
Р – линейный ресивер;
Дф – дефлегматор.
Принцип работы: в абсорбере А смешиваются рабочий агент и абсорбент. В результате смешения выделяется тепло, которое отводится в окружающую среду. Образовавшаяся смесь насосом Н через РТ1 направляется в верхнюю часть РК. Далее она самотеком стекает через насадку или тарелки. Навстречу ей из Г выходит пар рабочего агента с примесью абсорбента. В результате тепломассообмена между паровым и жидким потоками концентрация легкокипящего компонента (рабочий агент) в паровом потоке возрастает, а поток смеси за счет нагрева снижает концентрацию легкокипящего компонента. На выходе из РК концентрация рабочего агента составляет 85-90%. Для дальнейшей очистки пара рабочего агента в верхней части устанавливается дополнительный теплообменник – дефлектор. В дефлекторе циркулирует охлаждающая вода. За счет частичной конденсации рабочего агента из него выделяется флегма (остатки абсорбента), которая стекает в РК и далее в Г. На выходе из дефлектора концентрация рабочего агента составляет 98%.
СРАВНЕНИЕ ПОТЕРЬ ЦИКЛОВ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ
И БЕЗ РЕГЕНЕРАЦИИ
T
2
a
a
2
3 5
TB
1
1
TH 3
6
TH
4 S
Увеличение работы ТКМ:
-
Цикл без регенерации
L = LД – LИД = СР(Т2 – Т1) – СР(ТА – Т1)
LД = LИД / ik, где ik - внутренний индикаторный КПД.
L = CP(TA – T1) / ik – CP(TA – T1) = CP(TA – T1)(1/ ik – 1)
-
Цикл с регенерацией
LP = CP(TA| – T1|)(1/ ik| – 1), ik| ik
LP L, так как (TA – T1) (TA| - T1|)
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.
В системах теплоснабжения многих стран широкое распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Производятся также винтовые ТН установленной тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные – выше 9 МВт. В настоящее время в мире в системах теплоснабжения эксплуатируется более 18 млн крупных ТН. В наибольших масштабах они применяются в Швеции, где общая установленная тепловая мощность ТН превысила 1200 МВт, а самый крупный из них имеет мощность 320 МВт.
В России общая установленная тепловая мощность ТН составляет всего 65 МВт [9]. За последние 10 лет государственная система разработки, строительства и эксплуатации теплонасосных установок практически прекратила существование. В СССР была система нормативных документов, разработки, изготовления ТН, проектирования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения. Разработкой ТН занимался ВНИИхолодмаш (г. (Москва). Тепловые насосы выпускали на ПО «Мелитопольмаш» (45 – 65 кВт), экспериментальном заводе ВНИИхолодмаша (80 кВт), Читинском машиностроительном заводе (100 кВт), Московском заводе «Компрессор» (300, 500 кВт), НПО «Казанькомпрессормаш» (1,0, 2,5, 8,5, 11,5 МВт). В этих ТН была использована конструкция холодильных машин, что обусловливало их малый ресурс, так как соотношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров ТН в три раза больше. Разработкой проектов установки ТН занимался ВНИПИэнергопром, Крымским филиалом которого было разработано 26 проектов с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. Успешно эксплуатировались десятки систем теплоснабжения с ТН. Так, в Ялте работала теплонасосная система теплоснабжения с использованием теплоты морской воды мощностью 2,5 МВт. На Светлогорском целлюлозно-бумажном комбинате Ленинградской области эксплуатировалась ТНУ тепловой мощностью 18 МВт.
Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются их экономической и технологической востребованностью. Распространенная оценка эффективности ТН – по коэффициенту преобразования (отношению количества тепловой энергии на выходе ТН к количеству электрической энергии на его привод). По такой оценке для получения 100 Вт тепловой мощности на выходе ТН необходимо в среднем затратить 30 кВт электрической мощности. При работе ТН с электроприводом с учетом фактического КПД генерирования электроэнергии и ее потерь для получения на выходе из ТНУ 100 кВт тепловой мощности необходимо затратить 170 кВт (с учетом топливного эквивалента). При работе ТН с приводом от двигателя внутреннего сгорания (турбины) для получения на выходе ТН той же мощности (100 кВт) требуется только 88 кВт энергии первичного органического топлива. Хотя в настоящее время в России нет государственной программы развития теплонасосного теплоснабжения, определенная работа в этом направлении все же ведется. В Минэнерго РФ разработан проект государственного стандарта «Нетрадиционная энергетика. Тепловые насосы для коммунально-бытового водоснабжения». По заказу Госстроя РФ разработаны «Методические рекомендации по применению ТН и методика расчета технико-экономической эффективности их использования в ЖКХ» (разработчик – ФГУП «МНИИЭКО ТЭК», г. Пермь, научный руководитель – доктор техн. наук Д. Г. Закиров). Министерство науки и технологий РФ организовало тендер на создание ТНУ с использованием низкопотенциальных источников тепла единичной тепловой мощностью до 20 МВт.
Разработкой и производством ТН в России в основном занимается ЗАО «Энергия» (Новосибирск) под руководством кандидата технических наук Ю. М. Петина. Оно серийно выпускает ТН мощностью от 0,1 до 5 МВт. Наиболее массово производятся машины НТ-300. Такие ТН установлены в школе г. Карасук Новосибирской области, здании ЦСУ г. Горноалтайска, на курорте «Горячинск» в Бурятии, в г. Елизово и пос. Термальном на Камчатке, в совхозе «Мирный» Алтайского края. НТ-500 эксплуатируется в научном центре «Институт экологии» г. Красноярска. Две машины НТ-1000 установлены в Новосибирской области, четыре тепловых насоса НТ-3000 – в Тюмени и Каунасе. Стоимость российских ТН составляет 90 – 100 тыс. дол./МВт, что значительно ниже зарубежных. Так, в США стоимость поршневого ТН равна 279 тыс. долл/МВт, в Европе стоимость винтовых – 137 – 159 тыс. долл/МВт, турбокомпрессорных – 1500 тыс. долл/МВт.
Проектированием систем теплоснабжения объектов с использованием ТН в Москве занимается коллектив ОАО «Инсоляр-Инвест» под руководством кандидата технических наук Г. П. Васильева. Тепловые насосы АТНУ-15 Рыбинского завода приборостроения установлены в теплоснабжения зданий жилого дома в микрорайоне «Никули-2» в г.Москва, школы в д. Филиппово Люблинского района Ярославской области. Для столицы ими разработаны нормы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения. Проектирование и строительство теплонасосных систем теплоснабжения с использованием теплоты шахтных вод и водопровода осуществляет коллектив ФГУП «МНИИЭКО ТЭК» под руководством доктора технических. наук Д. Г. Закирова [10]. Наибольшими темпами теплонасосное теплоснабжение развивается в Новосибирской области. Там реализуется областная целевая программа установки ТН на объектах 30 населенных пунктов общей тепловой мощностью 21 МВт.
Мировой опыт свидетельствует о перспективности масштабного применения ТН в теплоснабжении. Наибольшие успехи достигнуты в условиях государственной поддержки. В России в настоящее время отсутствие большого спроса на ТН vjuen объяснить следующие причины:
– низкая стоимость топлива, тепловой и электрической энергии;
– отсутствие государственной технической, экономической политики и нормативной базы в этой области;
– недостаточная информация и малый опыт практического применения;
низкая надежность, ограниченность типоразмеров отечественных конструкций;
– высокой для отечественного рынка стоимостью зарубежных ТН.
Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются:
– технологической востребованностью, в том числе при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;
– тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;
– наличием в стране опытных разработчиков и производителей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентоспособных ТН.