Аналіз ефективності фреонів для теплонасосної станції теплопостачання Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 662.987.697.7 А.С. Денисова, д.т.н., професор,

В. Ю. Бiрюк, к.т.н., доцент

АНАЛ1З ЕФЕКТИВНОСТ1 ФРЕОН1В ДЛЯ ТЕПЛОНАСОСНО1 СТАНЦП ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

Одеський нацюналъний полiтехнiчний унiверситет, Украша

Анотащя

В статп розглянутi та проанашзоваш основнi показники ефективностi роботи теплонасосно! станцiй теплопостачання в теплових схемах промислових та енергетичних шдприемств. Проанашзовано рiзнi типи хладонiв для схеми утилiзацп теплоти циркуляцшно! води за допомогою теплових насосiв для потреб системи центраизованого теплопостачання.

Ключовi слова: Енергозберiгаючi технологиенергетична безпека, фреон, ексергiя, теплонасост станци теплопостачання, централiзоване теплопостачання.

ЗАСТОСУВАННЯ ТЕПЛОНАСОСНИХ ТЕХНОЛОГ1Й НА ТЕС i

АЕС

Укра!на вщстае в цьому напрямку енергетики вщ бшьшосп розвинених кра!н свiту, що негативно впливае на 11 енергетичну безпеку. Створення шдивщуальних та промислових систем теплопостачання, як працюють вiд альтернативних вторинних паливно-енергетичних ресурсiв е важливим завданням промислово! енергетики нашо! кра!ни.

До теперiшнього часу для ТЕС i АЕС вiдсутнiй досвiд використання теплонасосних технологш в технологiчних схемах виробництва електроенерги та теплоти. Деяк пропозици носять декларативний характер i не дають змоги оцiнити перспективи застосування теплонасосних технологiй в теплових схемах електростанцш, як для шдвищення термодинамiчноl ефективностi паросилового циклу електростанцш, так i для пiдвищення ефективност централiзованого кондицiювання та теплопостачання [1, 2].

Найбшьш перспективним напрямком застосування теплонасосних технологш на електростанщях е утилiзацiя низькопотенцшно! теплоти циркуляцшно! води охолодження конденсаторiв турбiн. Температура циркуляцшно! води пiсля конденсаторiв коливаеться в дiапазонi 20 - 30 оС в залежностi вiд пори року, що е високоефективним джерелом теплоти для ТН систем, адже при застосуванш парокомпресшного циклу ТН можна отримати теплоносш з температурою 60-70 оС. Отримання таких параметрiв дае можливють використовувати ТН для потреб центрашзованого теплопостачання, не використовуючи при цьому вщбори

пари з турбоустановки. Для таких теплонасосних станцш теплопостачання (ТНСТ) необхщно знайти оптимальш показники роботи, щоб визначити економiчну доцшьшсть витрати електроенерги на привiд компресора.

1. ВИБ1Р ХЛАДОН1В ДЛЯ ТНСТ

При виборi холодону важливим е дiапазон його робочих температур. Коефщент перетворення теплоти ф теплового насоса визначаеться властивостями фреону [3].

Основними крашами, що виробляють фреони, було ухвалено Монреальський протокол, який роздшив фреони на наступнi групи [4]:

I. Особлво озононебезпечш (R11; R12; R113; R114; R115),

II. Озононебезпечт (R12B1; R13B1; R114B2 та ш.);

III. Еколопчно безпечнi фреони (R142, R134; R123 та ш.).

Температура фреошв в тепловому насосi вища, нiж в холодильних

установках, тому фреон в тепловому насос може розкладатися i викликати корозiю устаткування [5]. При використанш екологiчно безпечних фреошв необхщно враховувати деякi недолжи, зокрема, вартiсть таких фреонiв, високий робочий тиск, вмют кiлькох компонента. Це означае, що всi деталi холодильного контуру повиннi мати високу мщшсть, а отже i вартють.

Таблиця 1. Властивостi еколопчно безпечних фреошв (типу HFC, FC, HC) для ТНСТ__

0°С 70°С

Фреон Тиск Холодо- Тиск Холодо-

насичення, кгс/см2 продуктивнiсть, кДж/кг насичення, кгс/см2 продуктивнiсть,, кДж/кг

R134a 2,94 198 21,16 123

R152a 2,67 304 18,94 238

R290 4,72 374 25,92 228

RC318 1,29 114 10,78 78

Як видно з розрахунюв (табл.1, 2) парокомпресшних цикшв ТНСТ найбшьш ефективним фреоном е R152a, в якого найбшьший коефщент перетворення та холодопродуктивносл, i водночас найменший показник потужност компресора [6].

РЕЖИМИ РОБОТИ ТНСТ З ФРЕОНОМ R152a Для вибору конструкци ТНСТ та оптимальних режимiв роботи необхiдно провести аналiз рiзних варiантiв температурних перепадiв в теплообмшниках при рiзних температурах навколишнього середовища [7]. Для розрахунку показниюв ефективностi парокомпресiйних циклiв вибираемо температуру випаровування 1в=20-30 оС, що вщповщае температурi циркуляцшно! води на протязi року та температуру конденсацп 11к=73оС для систем теплопостачання:

1. Робота стиснення в компресор^ кДж/кг:

1ст = Ь2 - Ь1

де, И1 та И2 - ентальшя робочого тiла на входi т на виходi з компресора, кДж/кг

2. Рiвняння теплового балансу ТН циклу, кДж/кг:

Чв + ^ст Як

де, дв - енергiя, що отримана при випаровуванш у випарнику ТНСТ, кДж/кг; 1ст - робота стиснення в компресор^ дк- енергiя, що отримана при конденсаци в конденсаторi ТНСТ, кДж/кг.

3. Теплове навантаження ТНСТ, кДж/кг:

Чтн Чк

де, дк- енергiя, що отримана при конденсаци робочого тша в конденсаторi ТНСТ, кДж/кг.

4. Питома енерпя, спожита електродвигуном компресора ТНСТ, кДж/кг:

№ = иЦем Пе

Пем - ККД електромеханiчний; це - ККД електричний.

5. Енергетична ефективнiсть парокомпресшного циклу ТНСТ, коефщент перетворення:

ф= Чк//ст

Проаналiзувавши парокомпресiйний цикл ТНСТ з фреоном Ю52а з рiзною температурою циркуляцшно! води, отримаемо показники оптимальш показники ефективностi циклу при температурi Н =30 оС, що показано в таблиц 2.

Таблиця 2. Показники ефективност ТНСТ в залежност вiд

Температура Питома теплове Питома теплове Коефщ1ент

теплонос1я навантаження у навантаження у перетворення ф

оС випарнику чв, кДж/кг конденсатор! цк, кДж/кг

20 187,36 233,83 4,03

22 188,66 232,99 4,26

24 189,94 232,15 4.50

26 191,19 231,33 4,76

28 192,42 230,5 5,05

30 193,62 229,68 5.37

Виходячи з розрахунюв парокомпресiйного циклу можна зробити висновок, що найбшьш ефективна робота ТНСТ можлива при високiй температурi циркуляцшно! води.

Однак, найбiльш точним е ексергетичний метод аналiзу, який заснований на термодинамiчнiй функци, враховуючи властивост системи та навколишнього середовища, що дае можливють оцiнити термодинамiчну досконалють ТНСТ та визначити ефективнiсть роботи установки.

Проводимо ексергетичний аналiз показниюв ефективностi ТНСТ при використаннi фреона Ю52а:

1. Ексерпя ев, вщдана низькопотенцiйним теплоношем у випарнику, кДж/кг:

ев Тв Чв;

де, тв, - ексергетична температура низькопотенцiйного теплоносiя (коливаеться в дiапазонi вщ 0 до 1):

Тсрв, - (X0 + 273)

тв =

Т

ср.н.

2. Середня логарифмiчна температура низькопотенцiйного теплоносiя, К:

Т

Хв1 Хв 2

1п Xв1 + 273 ' Xв2 - 273 _

3. Ексергiя ек, отримана високопотенцiйним джерелом у конденсатор^ кДж/кг:

еК Тк ^к:

де, тк - ексергетична температура високопотенцiйного теплоносiя:

Тсрк - (X0 + 273)

Т

ср.к.

4. Середня логарифмiчна температура гарячого теплоносiя, К:

Тс

гв 2 гв1

ср.в.

1П ^ + 273 '

X

в1

273

5. Ексерпя електроенерги, що витрачаеться на привщ компресора, кДж/кг:

ее =-

Пе.мЛе

6. Ексергетичний ККД пэ ТНСТ визначаеться по сумарнш ексерги вхiдних та вихiдних потоюв:

е е

_ вих к Пе =-=-

евх ев + е ел

Результати ексергетичного анашзу парокомпресiйного циклу ТНСТ з фреоном Ю52а в залежност вiд температури навколишнього середовища зводимо до порiвняльноl таблицi 3:

Таблиця 3. Ексергетичний аналiз парокомпресiйного циклу ТНСТ

Температура навк. серед. Н °С Ексерпя ев , кДж/кг Ексерпя ек, кДж/кг Ексергетичний ККД Пэ

10 10,49 43,49 0,55

5 13,67 47,23 0,57

0 16,86 50,74 0.59

-5 19,86 54,01 0,61

-10 23,04 57,28 0,62

в

Висновки

Запровадження ТНСТ на електростанщях для умов Укра1ни дасть змогу виршити проблеми з теплопостачанням, зменшити викид шкiдливих речовин, зокрема парникових газiв в порiвняннi i3 звичайними видами теплопостачання, зменшить теплове забруднення навколишнього середовища при робот електростанцiй, що е актуальним для нинiшнього екологiчного стану довкшля в Укршт й свiтi. Використання ТНСТ в теплових схемах ТЕС та АЕС для потреб систем централiзованого опалення та гарячого водозабезпечення дасть можливють зменшити коефщент недовироблення електроенерги турбоустановкою, а також збшьшити ККД паротурбiнного циклу. Як видно з енергетичного та ексергетичного розрахунюв парокомпресшних циклiв ТНСТ найбiльш ефективним фреоном е R152a, в якого найбшьший коефiцiент перетворення та холодопродуктивносл, i водночас найменший показник потужност компресора.

Лiтература

1. Денисова А.Е., Дубковский В.А., Денисов С.Ю. Комплексная альтернативная система теплоснабжения на основе низкопотенциальных источников тепла ТЭС и АЭС // Радиационная и ядерная безопасность. -2000, Т. 3. - Вып. 4. - С. 100 - 103.

2. Мацевитый Ю. М., Чиркин Н. Б., Богданович Л. С., Клепанда А. С. О рациональном использовании теплонасосных технологий в экономике Украины // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит; № 3, 2007. - С.20 - 32.

3. Промышленные фторорганические продукты: Справ. изд. / Б. Н. Максимов, В. Г. Барабанов, И. Л. Серушкин и др. - Л.: Химия,1990. - 464с.

4. Тепловые насосы: Учеб. пособие / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. -Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - 142 с

5. Денисова А.Е. Особенности работы теплового насоса в комплексной альтернативной системе теплоснабжения//Экотехнологии и ресурсосбережение.- 2001.- №1.- С.6 - 8.

6. www.et.du.dk/CoolPack

7. Рей Д. Тепловые насосы / Д. Рей, Д. Макмайкл. - М.: Энергоиздат, 1982. - 224 с.

Abstract

The article reviewed and analyzed key performance indicators of heat pump heating stations in heat patterns of industrial and energy companies. Different types khladons scheme for recycling heat circulating water through heat pumps for the needs of the district heating system.

Keywords: Energy-saving technologies, energy security, Freon, exergy, heat pump station heating, district heating.