5

УДК 629.735

Інв. №____________

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національній аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського „ХАІ”

Кафедра 401

ДО ЗАХИСТУ ДОПУСКАЮ зав. кафедрою, д.т.н., проф. _________ГАЙДАЧУК О. В. „____”________________2012р.

ТЕПЛОНАСОСНА ОПАЛЮВАЛЬНА УСТАНОВКА

ДЛЯ НАВЧАЛЬНОГО КОРПУСУ

Пояснювальна записка до дипломного проекта на здобуття освітньо-кваліфікаційного рівня

„Спеціаліст” за фахом 7.000008 „Енергетичний менеджмент”

ХАІ.460Е.12.ДР.05.ПЗ.00

Виконавець ст. гр. 460Е, Ізаак С. Ю. ______________________________________ (підпис, дата)

Керівник к.т.н., доцент Шепетов Ю. О. (наукова ступень, вчене звання) ___________________________________ (підпис, дата) (П.І.Б.)

Нормоконтролер к.т.н., доцент Шепетов Ю. О. (наукова ступень, вчене звання) __________________________________________ (підпис, дата) (П.І.Б.)

Консультанти:
з основної частини	к.т.н., доцент Шепетов Ю. О. (наукова ступень, вчене звання, П.І.Б.)
з розділу безпеки життєдіяльності	к.т.н., доцент Лобов С. О. (наукова ступень, вчене звання, П.І.Б.)
з організаційно-економічної частини	к.т.н., доцент Гарпуша Ю.О. (наукова ступень, вчене звання, П.І.Б.)

2012

Форма № У-9.01

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського "харківський авіаційний інститут"

КАФЕДРА РАКЕТНО-КОСМІЧНИХ ДВИГУНІВ І ЕНЕРГОУСТАНОВОК ЛА

Спеціальність: 7.000008 “Енергетичний менеджмент”

Затверджую

Зав.каф. проф. Гайдачук А. В.

"___" _________ 2011 р.

Завдання

на дипломне проектування студенту

Ізаак Сергій Юрійович

1. Тема проекта "Теплонасосна опалювальна установка для навчальног корпусу".

Тема утверждена указом по университету № _______ от _______11 г.

2. Срок сдачи студентом выполненного проекта: _________ 2012 г.

3. Содержание пояснительной записки:

Раздел 1 - Цели и задачи работы. Обзор теплонасосных установок и принципы их роботы.(15…18с.) Существующая система теплоснабжения корпуса, данные по потреблению корпуса. (15…18с.)

Раздел 2 – Структура тепловых потерь корпуса и общий энергобаланс корпуса (10…12с.)

Раздел 3 – Выбор и описание теплонасосной установки, предлагаемой к использованию в корпусе. (10…12с.)

Раздел 4 – Оценка экономического эффекта от внедрения установки. капитальные эксплуатационные затраты (10…12с.)

Раздел 5 – Специальная часть – обзор промышленных установок ТН на рынке Украины. (15с.)

Раздел 6. БЖД.

4.1 План корпусу с данными энергосбережения (А0)

Презентация.

5. Задание на преддипломную практику:

5.1 Собрать фактический материал по объекту исследования.

5.2 Выполнить и оформить спецчасть.

6. Дата выдачи задания _____ 2011 г.

Студент-дипломник Изаак С. Ю.

Руководитель проекта Шепетов Ю. А.

РЕФЕРАТ

Сторінок 98, рисунків 29, таблиць 30, додатків 1, джерел 49.

Дипломна робота присвячена підвищенню енергоефективності джерел теплопостачання з використанням парокомпресійних теплонасосних установок в системах теплопостачання з врахуванням комплексного впливу вигляду приводу компресора ТНУ, схем і режимів роботи; визначенню умов раціонального комбінування джерел теплопостачання і теплонасосних установок в системах теплопостачання; розробці методичних основ синтезу джерел теплопостачання з теплонасосними установками. У роботі проведена систематизація і узагальнення літературної інформації по розробці, дослідженню і впровадженню теплонасосних установок в системах теплопостачання. Розроблені узагальнена система і математичний опис джерела теплопостачання з теплонасосной установкою. Досліджена ефективність теплонасосних станцій з різним виглядом приводу, схемами і режимами роботи. Проведено дослідження теплонасосних установок з різними зовнішніми умовами і схемами. Проведений чисельний експеримент на математичних моделях і аналіз отриманих результатів. Досліджені реальні режими роботи системи теплопостачання.

ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА, ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС, ХЛАДАГЕНТ, БРОВОВЕ НІЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЕ ТЕПЛО.

РЕФЕРАТ

Страниц 98, рисунков 29, таблиц 30, приложений 1, источников 49.

Дипломная работа посвящена повышению энергоэффективности источников теплоснабжения с использованием парокомпрессионных теплонасосных установок в системах теплоснабжения с учетом комплексного влияния вида привода компрессора ТНУ, схем и режимов работы; определению условий рационального комбинирования источников теплоснабжения и теплонасосных установок в системах теплоснабжения; разработке методических основ синтеза источников теплоснабжения с теплонасосными установками. В работе проведена систематизация и обобщение литературной информации по разработке, исследованию и внедрению теплонасосных установок в системах теплоснабжения. Разработаны обобщенная система и математическое описание источника теплоснабжения с теплонасосной установкой. Исследована эффективность теплонасосных установок с различным видом привода, схемами и режимами работы. Проведено исследование теплонасосных установок с различными внешними условиями и схемами. Проведен численный эксперимент на математических моделях и анализ полученных результатов. Исследованы реальные режимы работы системы теплоснабжения.

ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА, ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС, ХЛАДАГЕНТ, БРОСОВОЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ТЕПЛО.

ABSTRACT

Pages 98, pictures 29, tables 30, applications 1, sources 49.

Purpose of work is devoted the increase of energoeffektivnosti of sources of teplosnabzheniya with the use of parokompressionnykh teplona-sosnykh of settings in the systems of teplosnabzheniya taking into account complex influence of type of drive of compressor of TNU, charts and office hours; to determination of terms of the rational combining of sources of teplosnabzheniya and teplonasosnykh settings in the systems of teplosnabzheniya; to development of methodical bases of synthesis of sources of teplosnabzheniya with the teplonasosnymi settings. Systematization and generalization of literary information is in-process conducted on development, research and introduction of the teplonasosnykh settings in the systems of teplosnabzheniya. The generalized system and mathematical description of source of teplosnabzheniya is developed with the teplonasosnoy setting. Efficiency of the teplonasosnykh stations is investigational with the different type of drive, charts and office hours. Research of the teplonasosnykh settings is conducted with different external terms and charts. A numeral experiment on mathematical models and analysis of the got results is conducted. The real modes of work of the system of teplosnabzheniya are investigational.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 8

ВВЕДЕНИЕ 11

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 13

1.1 Цель и задачи работы 13

1.2 Актуальность работы 13

1.3 Обзор литературы 17

1.3.1 Парокомпрессионные тепловые насосы ПТН 18

1.3.2 Абсорбционные тепловые насосы (АТН) 33

2 ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ 38

2.1 Краткая характеристика корпуса университета 38

2.2 Оценка структуры энергопотребления учебно-лабораторного корпуса 39

2.2.2. Силовое оборудование 40

2.2.4 Основные показатели энергопотребления за 2005 г. 43

2.2.5 Анализ динамики энергопотребления 45

2.3. Существующая система отопления учебно-лабораторного корпуса. 46

2.3.2. Водоподготовка 47

2.3.3 Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции 47

Вентиляция помещения 52

Испарение влаги 52

Нагрев инфильтрующего воздуха 52

2.2.4 Математическая модель энергобаланса здания 53

3.1 Выбор источника тепла 55

3.2 Выбор теплонасосной установки 57

4 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 62

4.1 Оценка экономического эффекта системы отопления с ТН 63

4.1.1 Определение годовых издержек 63

4.1.2 Сопоставление стоимости энергии 65

5 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 69

5.1 Обзор промышленных тепловых насосов на рынке Украины 69

6.1.1 Выявление вредных и опасных факторов при эксплуатации ТН 77

6.2 Разработка мероприятий по уменьшению влияния вредных и опасных факторов при эксплуатации 81

6.2 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 86

6.2.1 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций при эксплуатации ТН 86

6.2.2 Разработка мероприятий по уменьшению вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций при эксплуатации ТН 88

ВЫВОДЫ 93

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 94

ПРИЛОЖЕНИЕ 97

Перечень документации по проекту 98

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

- коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней поверхности ограждения, Вт/(м град. С);

n - величина затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей конструкции;

l – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м °С);

d – толщина слоя ограждения, м;

D_t – расчетная разность температур холодильного агента и теплоносителя, °С.

Δ - показатель интенсивности конвективного теплообмена, Вт/°С;

ΔS - экономия денежних средств от применения ТН насоса в системе отопления;

ΔЕ_ТН - энергопотребления для теплового насоса;

- коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью ограждающей конструкции;

s_в - предел прочности , Па;

- коэффициент, выражающий гармоническое изменение температуры наружного воздуха.

- температура нагреваемой среды, °С;

- температура низкотемпературного источника теплоты, °С;

ΔΖ - общая продолжительность радиации через окна, час;

b – число часов использования отопительной системы в год, ч / год.

D_н — наружный диаметр корпуса, м;

f – минимальное сечение пуансона, м²;

F – площадь детали, м²;

F – теплопередающая поверхность теплообменного аппарата, м²;

f – частота вращающегося магнитного поля, Гц;

F_I, - площадь зоны пола, м²;

F_n – площадь соответственной части детали, м²;

G_маз - потребление мазута, л/год;

h – высота цилиндрического пояска матрицы, м;

J – момент инерции сечения, м⁴;

J - среднесуточное значение поверхностной плотности теплового потока суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/м²;

k=1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерность толщины материала, его механических свойств;

m – годовой коэффициент использования для котла;

n – поправочный коэффициент, учитывающий положение ограждения по отношению к наружному воздуху;

n – скорость вращения электродвигателя, 1/с;

N_e - индикаторная мощность, компрессора, кВт;

N_тp - мощность, затрачиваемая на трение в компрессоре, кВт;

N_Х - мощностью холостого хода, кВт;

n_чел – количество человек;

Q - cила для проталкивания вырубленной детали или отхода, H;

Q – объемный расход воздуха, м³/с;

Q - теплового потока через наружную стену, Вт;

Q - теплоприход от персонала проектировочного отдела;

q_F - интенсивности теплопередачи в теплообменном аппарате;

Q_H - тепловой поток к нагреваемой среде, Вт;

Q_L - тепловой поток от низкотемпературного источника теплоты, Вт;

Q_Δt - тепловой поток теплопередачей через окна, Вт;

Q_апп – тепло, передаваемое от холодильного агента теплоносителю или от теплоносителя к холодильному агенту через теплопередающую поверхность, Дж;

Q_год - годовое энергопотребление помещения, Вт;

Q_ос - максимальный тепловой поток солнечной радиации через окна, Вт;

Q_осн - основные теплопотери помещения,Вт;

Q_осн – теплопотери через поверхность пола;

q_п , q_р – прямой и рассеяный удельный тепловой поток, Вт/м²;

Q_полн - полные теплопотери в помещений, Вт;

q_чел - теплоприход от одного человека, Вт;

R – термическое сопротивление слоя ограждающей конструкции, м² °С/Вт;

S - cтоимость энергии, потребленной тепловым насосом, грн.;

S – константа сечения воздушного канала, м²;

S₁, S₂, ...S_i - расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м2 х град.С);

t_B - расчетная температура внутреннего воздуха, °С;

t_H - расчетная температура наружного воздуха, °С;

V – cкорость воздуха, м/с;

β – годовой показатель выработки теплового насоса;

А - амплитуда суточных колебаний суммарной солнечной радиации, Вт;

А - максимальная суточная амплитуда температуры наружного воздуха в июле, °С;

а - показатель поглощения помещением теплового потока солнечной радиации;

А₁, А₂, А₃… А_п, А_ос – площади ограждающих конструкций, м²;

К - коэффициент теплопередачи слоя ограждения, Вт/ м² °С;

К_инвест. – величина инвестиций в проект, грн.;

К_побочн – побочные издержки, грн.;

К_тепл – издержки получения тепла, грн.;

К_{энергия} – стоимость получения энергии, грн.;

М – массовый расход воздуха, кг/с.

М_{изг.доп} - допустимый максимальный момент, Н×м;

М^изг_мах - максимальный изгибающий момент, Н×м;

Н_низ – низшая теплотворная способность топлива, кВтч / л;

с_маз – цена мазута, грн/л;

с_эл.эн – цена потребленной электроэнергии, грн/кВтч;

У - находим коэффициенты теплоусвоения, Вт/(кв.м град.С);

у — фактор формы днища;

Х - центр масс прямоугольной детали, м;

ВТА - внутренний теплообменный аппарат;

ВЭР – возобновляемые энергоресурсы;

К – компрессор;

КОП –коэффициент преобразования теплового насоса;

НТА - наружный теплообменный аппарат;

ТН – тепловой насос;

Ф – фильтр;

ФК - фреоновый контур;

ВВЕДЕНИЕ

В данной дипломной работе рассматривается возможность применения теплового насоса в учебно-лабораторном корпусе (УЛК ХАИ) для его отопления в зимнее время. Анализируются технические, экономические и экологические аспекты этой задачи, что в конечном итоге должно уменьшить энергопотребление объекта.

Объект исследования: технико-экономические аспекты применения тепловых насосов для обогрева учебно-лабораторного корпуса (УЛК ХАИ).

До сегодняшнего дня тепловой насос представлялся главным образом как агрегат или некая система, предназначенная в первую очередь для кондиционирования воздуха, способная также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. На самом деле характеристики этого оборудования стремительно меняются, и уже во многих странах Европы тепловой насос сменил, что называется, «ориентацию»: первым делом потребности в тепле, а охлаждение – потом. Больше того, зачастую тепловой насос уже используется только для отопления.

Такая смена потребительской ориентации обусловлена произошедшей за последние два десятилетия трансформацией подходов западного мира:

• озабоченностью качеством воздуха, необходимостью решения проблемы парникового эффекта, создаваемого отопительными системами;

• поиском альтернативных экологических решений на смену традиционному отоплению посредством сжигания ископаемого топлива;

• повышением эффективности и надежности тепловых насосов вследствие эволюции рефрижераторных технологий, разработки новых спиральных компрессоров и пр.;

• уменьшением вредного воздействия рефрижераторных систем на среду вследствие разработки новых хладагентов HFC.

Первые два фактора в наибольшей степени способствовали росту внимания к использованию альтернативных источников энергии.

У тепловых насосов нового поколения охлаждающая жидкость уже почти повсеместно заменяется на R 407C.

Данные системы применяются главным образом в зданиях, где имеется множество помещений: административные здания, жилые дома, гостиницы, мотели, торговые центры и пр. В торговых центрах их стали применять не так давно. На самом деле кольцевые водяные системы известны с 1960 года. Накопленный с тех пор опыт эксплуатации показывает, что по своей надежности они вполне могут соперничать с традиционными системами.

В последние десятилетия наблюдается значительный интерес к технологиям производства тепловых насосов во всех развитых странах мира. Анализ возможных областей применения в экономике Украины теплонасосных технологий показывает, что на первом этапе в нашем государстве наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий.

Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии достигается с помощью теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих трансформировать низкопотенциальную теплоту ВЭР и возобновляемых природных источников до более высоких температур, пригодных для целей теплоснабжения. Кроме того, применение ТНУ дает возможность приблизить тепловые мощности к местам потребления, минимизировать протяженность тепловых сетей, рассредоточить выбросы в регионе и получать в системах отопления 3...8 кВт эквивалентной тепловой энергии в зависимости от температуры низкопотенциальных источников, затрачивая при этом 1 кВт электрической энергии.

Важнейшей особенностью ТНУ является универсальность по отношению к виду первичной энергии, возможность использования практически всех видов энергии, поскольку компрессор ТНУ может приводить в действие механическим, электрическим и любым тепловым двигателем. Это способствует оптимизации топливного баланса с замещением дефицитных энергоресурсов менее дефицитными видами.

Крупным преимуществом схем теплоснабжения ТНУ с электрическим приводом является их высокая экологическая эффективность. ТНУ расходуют в 3–4 раза меньше топлива. По сравнению с электроотоплением расход электроэнергии сокращается на 50...70%. Благодаря полной автоматизации ТНУ не требует постоянного обслуживания.

Дипломная работа будет посвящена повышению энергоэффективности источников теплоснабжения с использованием теплонасосных установок в системах теплоснабжения с учетом комплексного влияния вида привода компрессора ТНУ, схем и режимов работы; определению условий рационального комбинирования источников теплоснабжения и теплонасосных установок в системах теплоснабжения; разработке методических основ синтеза источников теплоснабжения с теплонасосными установками. В работе будет проведена систематизация и обобщение литературной информации по разработке и внедрению теплонасосных установок в системах теплоснабжения. Разрабатывается обобщенная система и математическое описание источника теплоснабжения с теплонасосной установкой.