Рабочие тела парокомпрессорных тт

Хладагенты:

1. аммиак (NH₃) – применяется в больших рефрижераторных установках;

2. углекислота (CO₂) – применяется на фабриках мороженого;

3. фреоны.

Важный параметр хладагента: нормальная температура кипения Тнк - это температура кипения при атмосферном давлении ( 0,1 МПа ).

Для аммиака: t_НК = -33 ^OC.

Для СO₂: t_НК = - 35 ^OC.

Фреоны – это галлоидные соединения вида C_NH_MCl_XF_YBr_Z, полученные на базе предельных углеводородов C_NH_M (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:

1. повысительная;

2. расщепительная.

В первом случае трансформация тепла идет от среды с температурой Т_Н до температуры Т_С. Для этого используется внешний источник, температура которого равна Т_В.

Во второй схеме к установке подводится рабочий поток теплоносителя с температурой Т_С, который разделяется на два потока: один поток повышает свою температуру до Т_В, 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 = Т_НК - Т_НК

СХЕМА ИДЕАЛЬНОГО АБСОРБЦИОННОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА (ХЛУ)

Р.А.

Г

Q_B A К Q_К

Смесь PT

H

Д1 Д2

A

И Q_H

Р.А.

Q_H

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 Т_С (обычно окружающая среда). Смесь перекачивается насосом Н через РТ в генератор для разделения (выпаривания). Для этого в Г подводится внешнее тепло Q_B при температуре Т_В > Т_С. В результате разделения рабочий агент в виде пара идет в конденсатор, в котором происходит отвод тепла Q_K к источнику Т_С, а затем через Д2 идет в испаритель. В испарителе тепло Q_H отводится от НИТ к рабочему агенту при температуре Т_Н.

Тепловой баланс: Q_H + Q_B = Q_A + Q_K

Если потерь нет, то эксергетический баланс: E_H + E_B = E_A + E_K

Q_H _H + Q_B _B = (Q_H + Q_B) _C, где  _i – коэффициент работоспособности.

Удельные затраты энергии на производство холода:

СХЕМА ИДЕАЛЬНОЙ АБСОРБЦИОННОЙ ТЕПЛОНАСОСНОЙ

УСТАНОВКИ (РАСЩИПИТЕЛЬНАЯ СХЕМА)

Пар, Q_B (T_B)

Г

Вода

Смесь

Д1

Н

И Q_K

A К

PT

Q_A

Пар, Р_С, Q_И

Т_С

Конденсат

Г – генератор;

РТ – регенеративный теплообменник.

Привод насоса – турбина (схема идеальная).

В абсорбер подводится водяной пар средних параметров P_C, T_C 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

T_B > T_C > T_H, 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:

Q_A + Q_И = Q_B + Q_K

СХЕМА РЕАЛЬНОЙ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ АБСОРБЦИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Основные отличия идеальной схемы от реальной:

1. детандеры заменены регулирующими вентилями;

2. для повышения эффективности разделения смеси на исходные компоненты в схему включены процесс ректификации и дефлегматор;

3. все процессы теплообмена протекают при конечных разностях температур, отличных от нуля;

4. для снижения потерь от дросселирования перед регулирующим вентилем устанавливают ОК или РТ.

Схема реальной одноступенчатой абсорбционной ХЛУ:

Р.А. Q_K

К

Охл. Вода Дф

P

Пар Р.А.

РК РТ2

Q_Г А.

РВ2

РТ1

РВ1

И Q_O

А

Н А.

Q_A 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

T_B 1

1

T_H 3 6  T_H

4 S

Увеличение работы ТКМ:

1. Цикл без регенерации

L = L_Д – L_ИД = С_Р(Т₂ – Т₁) – С_Р(Т_А – Т₁)

L_Д = L_ИД / _ik, где _ik - внутренний индикаторный КПД.

L = C_P(T_A – T₁) / _ik – C_P(T_A – T₁) = C_P(T_A – T₁)(1/ _ik – 1)

2. Цикл с регенерацией

L^P = C_P(T_A^| – T₁^|)(1/ _ik^| – 1), _ik^| _ik

L^P  L, так как (T_A – T₁)  (T_A^| - 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.