CC BY
243
УДК 621.11
Р. А. Ильин, А. К. Ильин НОВЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Введение
Традиционный подход к оценке эффективности как непосредственно тепловых насосов (ТН), так и эффективности их использования изложен, например, в [1-21]. Авторы разрабатывают методику оценки эффективности использования ТН, элементы которой представлены в [22-29 и др.]. Ниже обсуждаются некоторые новые параметры для оценки эффективности системы «Тепловая электростанция (ТЭС)-ТН-потребитель (П)».
Анализ на основе энергетического баланса
Энергетический подход является обычным в литературе при анализе эффективности ТН на основе коэффициента преобразования энергии, теоретическая величина которого
М-т - Т1 /(Т1 - Т2 ) ,
(1)
где Т1 и Т2 - соответственно температура теплоносителей на выходе и входе ТН, К. В частных случаях Т2 = Т0, где Т0 - температура окружающей среды. Действительный коэффициент преобразования равен:
Мд - Мт 'птн•
(2)
Здесь 'Лтн - энергетический КПД ТН, учитывающий все потери энергии в насосе. Величина 'Лтн в современных ТН находится в интервале 0,65-0,70 [7, 10, 13, 19, 20]. Используется также эк-сергетический КПД ТН, однако он относится к ТН как к отдельному агрегату [6, 9-11, 16, 21], учитывает потери только непосредственно в агрегате и не учитывает потери в системе «ТЭС-ТН-П».
В отечественной и зарубежной литературе и на практике установился подход к оценке эффективности использования ТН преимущественно по действительному коэффициенту преобразования энергии тд [7, 12, 13, 15 и др.], при этом нет четких условий или ограничений по другим параметрам. Считается вполне допустимой величина тд > 2,5-3,0 и хорошей - величина 3,5-4,0. Это подтверждается и данными на рис. 1 [20].
Мд
г-....
20
40
60
80
Ф
у:
»• •
L
Qth, кВт
100 100
200
300
400
4
3
2
0
Рис. 1. Номинальные значения действительных коэффициентов преобразования ТН, выпускаемых фирмами LG, Mitsubishi, MHPUL, MHPUE, FUJITSU, McQUAY, HPVU, «Энергия», «Тритон-ЛТД», в зависимости от тепловой мощности
В качестве примера приведем также данные по ТН, установленным на крупной теплонасосной станции теплоснабжения в Швеции: тепловая мощность ТН - 30 тыс. кВт, годовая теп-лопроизводительность 280 млн кВт • ч, коэффициент преобразования энергии = 3,2 [10]. Тепловые насосы фирмы ТешрНйег (Великобритания) марки ТР с тепловой мощностью 270-1 300 кВт используются с коэффициентом преобразования энергии 4,1-4,5. Отечественные тепловые насосы НТ-45, НТ-65, НТ-280, НТ-410 (цифры - тепловая мощность, кВт) используются для отопления и горячего водоснабжения при величине коэффициента преобразования энергии 4,3-4,6.
Можно показать, что такой уровень коэффициента преобразования энергии недостаточен с точки зрения реальных затрат топлива на работу ТН. Из уравнения энергетического баланса для системы «ТЭС-ТН-П»
Qтн = Qт ' ПТЭС ' М-т ' птн , (3)
где QТН - тепловая производительность ТН; Qт - теплота, затраченная на электростанции при сжигании топлива для получения электрической энергии для привода насоса; 'Лтас: -
КПД электростанции; 'Рш принят равным 0,7. Из этого следует, что для оценки эффективности использования ТН может рассматриваться параметр
Qтн / Qт = ПТЭС ' М-т ' птн . (4)
Величина этого параметра приведена на рис. 2 в зависимости от действительного коэффициента преобразования энергии ТН при использовании электроэнергии от различных теплоэнергетических установок с КПД от 0,33 до 0,55 (последнее - парогазовые ТЭС как перспективные энергоисточники). При QТН = 1 ТН передает потребителю столько же тепловой энергии, сколько было затрачено на ТЭС при сжигании топлива для получения электрической энергии для привода ТН, т. е. применение ТН в этом случае, как дорогого и материалоемкого агрегата, ничем не оправдывается. При величине параметра менее 1,8, что соответствует тд > 4,5-5,0 при работе ТН от ТЭС, имеется теоретическая возможность использования ТН. Как отмечено в [4, 10], эффективность использования ТН определяется не только энергетическими оценками, но и затратами энергии на материалы (оборудование) и топливо, которые могут оказаться решающими. Какой должна быть реальная величина параметра QТН /Qт, можно оценить методами эксергетического анализа рассматриваемой системы [24, 29] с привлечением основных техникоэкономических параметров: затрат эксергии на создание ТН и затрат эксергии на создание топлива для системы «ТЭС-ТН-П» по данным [22-29].
Рис. 2. Параметр QTH/QT и действительные коэффициенты преобразования в ТН при использовании электроэнергии от электростанций различных типов (по результатам энергетического анализа): 1 - электроэнергия от парогазовой установки (ПГУ)
(КПД ПГУ = 0,55); 2 - то же, паротурбинная ТЭС (0,37); 3 - ГТУ (0,33);
4 - солнечные электростанции термодинамического цикла (0,3); min - теоретический минимум величин,
при котором использование ТН теряет смысл
Анализ на основе эксергетического баланса
Система «ТЭС-ТН-П» является, безусловно, «топливной», т. к. на ее работу затрачивается топливо. Поэтому, в соответствии с развиваемым нами методом [28, 29 и др.], эффективность теплоэнергетических установок при эксергетическом анализе мы предлагаем определять по полному коэффициенту использования эксергии в ТН (частные случаи см., например, в [25, 26 и др.]):
ех/
1 + 5^ех /кстр + 8^ех/к топл + 8^ех 1
(5)
где 5^ех - коэффициент использования эксергии топлива в ТН [28, 29], кстр - коэффициент эк-сергоотдачи «строительной» эксергии, равный отношению эксергии, полученной за период работы установки, к эксергии, затраченной на создание установки (затраты эксергии на получение сырья, на создание материалов, деталей, узлов, агрегатов и др.); ктопл - коэффициент, учитывающий затраты эксергии на получение (добычу, переработку, транспортировку и др.) топлива; К - коэффициенты эксергоотдачи других затрат эксергии.
Коэффициент ктопл введен в связи с тем, что в настоящее время при использовании добываемых органических топлив основные затраты эксергии связаны с переработкой исходного сырья, и их величина такова, что они должны учитываться [10, 29].
Затраты эксергии на добычу топливного сырья также весьма существенны, и в настоящее время они увеличиваются. Затраты эксергии на транспорт топлива, например, на характерное для России расстояние - 4 000 км, составляют (% от эксергии топлива): нефть - 1,5, газ - 18. Таким образом, затраты на добычу топлива и его транспортировку находятся в достаточно широком диапазоне и должны учитываться при расчетном анализе для конкретных условий. Учет ктопл особенно важен при синтезировании топлив в случаях, когда эти затраты эксергии составляют значительную долю эксергии получаемого топлива или превышают ее (последнее, например, у водорода). В этих случаях теплоэнергетические установки не могут окупаться.
Анализ влияния затрат эксергии на создание ТН и на создание топлива на полный коэффициент использования эксергии в системе «ТЭС-ТН-П» выполнен на основе расчета вариантов по зависимости (5) при реальных сочетаниях параметров. Зависимость кстр принята по [29] как функция удельной массы т ТН (рис. 3), кг/кВт полезной тепловой мощности, удельных затрат эксергии на создание ТН, Дж/кг массы, полного срока использования ТН. Величина 1/ктопл принята в диапазоне 0,20 (минимальное значение) - 0,50.
ех.полн
Рис. 3. Зависимость удельной металлоемкости от полезной тепловой мощности для ТН отечественного производства (точки) по [19, 20]:
НТ-280-4-9-08, НТ-410-4-9-08, ТН-10, ТН-30, ТН-65,
ТН-300, ТН-500, ТН-1000, ТН-3000, АТНУ-10,
НКТ-5-4-9(08), НКТ-10-4-9(08), НТ-80, НКТ-110, НКТ-300, НКВ-60-2-8-(08),НКТ-20-4-9(08), НТ-22,
НТ -45 и для ТН зарубежного производства типа «воздух-воздух» (линия) марок ОЛММЛ.Ш.ЫР, БЕЬТЛ/НР, ТешрНАег-ТР (в расчетах принято т = 10)
На рис. 4 это влияние представлено на отдельных графиках.
а б
Рис. 4. Зависимость полного коэффициента использования эксергии в ТН в системе «ТЭС-ТН-П» в реальных диапазонах сочетания параметров: а - от коэффициентов кс1р; б - от коэффициента ктопл линия----------------соответствует отсутствию влияния кстр и ктопл на коэффициент 'Пех.полн
Из графиков видно, что неучет затрат на создание ТН и топлива для них может вызвать неправильное представление об эффективности использования конкретных ТН для конкретных условий их использования. В частности, например, суммарный коэффициент использования эксергии при 5^ех = 0,6 для сочетания кстр = 7 и ктопл = 0,35 по формуле (5) составит 'Лехшш = 0,46, а при ктопл = 0,20 ^вх.полн = 0,50, что меньше величины 5^ех без учета указанных затрат соответственно на 23 (отн.) и 16 %.
Выводы
Таким образом, использование параметра QТН/Qт и коэффициента 'Лехш™ на стадии выбора условий использования ТН позволит комплексно оценивать эффективность ТН и обеспечить, в том числе, заданный срок окупаемости.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Ильин А. К., Слинько Н. Т. Сравнительные характеристики некоторых типов воздушных тепловых насосов // Труды ДВПИ. - 1968. - Т. 67. - С. 87-90.
2. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. - М.: Энергия, 1968. - 279 с.
3. Старовойтов Н. Г., Ильин А. К. Эффективность использования тепла океана для теплоснабжения / Докл. науч.-техн. конф. по теплоснабжению и строит. проектированию. - Вып. 1. - Владивосток: ДВПИ. 1969. - С. 118-124.
4. Мартыновский В. С. Анализ действительных термодинамических циклов. - М.: Энергия, 1972. - 216 с.
5. Ильин А. К. Влияние впрыска воды на цикл воздушного теплового насоса // Тепловые и технологические процессы. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 1977. - С. 59-60.
6. Соколов Е. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с.
7. Рей Д., Макмайл Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоиздат, 1982. - 224 с.
8. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. - М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.
9. Проценко В. И., Сафонов В. К. Эксергетический КПД теплонасосных установок // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1989. - № 1. - С. 123-130.
10. Янтовский Е. И., Левин Л. А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 125 с.
11. Эксергетические расчеты технических систем / В. М. Бродянский, Г. П. Верхивкер, Я. Я. Карчев и др.: справ. пособие; под ред. А. А. Долинского, В. М. Бродянского. - Киев: Наук. думка, 1991. - 360 с.
12. Везиришвили О. Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснаб-жения. - М.: МЭИ, 1994. - 160 с.
13. Андрющенко А. И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов для централизованного теплоснабжения // Промышленная энергетика. - 1997. - № 6. - С. 2-4.
14. Петин Ю. М., Накоряков В. Е. Тепловые насосы // Российский химический журнал. - 1999. - Т. 41, № 6. - С. 107-111.
15. Калнинь И. М. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра // Холодильная техника. - 2000. - № 10. - С. 2-6.
16. Огуречников Л. А. Эффективность применения тепловых насосов в системе геотермального теплоснабжения // Холодильная техника. - 2001. - № 6. - С. 10-12.
17. Ковалев О. П., Волков А. В., Ильин А. К. Использование тепловых насосов для систем теплоснабжения в Приморском крае // Тр. Дальневост. гос. техн. ун-та. - 2003. - Вып. 133. - С. 206-211.
18. Шпильрайн Э. Э. Возможность использования теплового насоса на ТЭЦ // Теплоэнергетика. - 2003. -№ 7. - С. 54-56.
19. Ильин А. К., Дуванов С. А. Анализ переменных режимов работы тепловых насосов // Вестн. Сарат. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 4 (5). - С. 51-58.
20. Ильин А. К., Дуванов С. А. Свойства и характеристики современных тепловых насосов // Проблемы совершенствования топливно-энергетических комплексов. - Вып. 3. - Саратов: СНЦ РАН, 2004. - С. 80-91.
21. Амерханов Р. А. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 2005. - 160 с.
22. Ильин Р. А. Термодинамические критерии оценки эффективности тепловых насосов / Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы 5-й Рос. науч. конф. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - Т. 1. - С. 225-227.
23. Ильин Р. А., Ильин А. К. Эксергетическая оценка эффективности использования тепловых насосов // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Техн. науки. - 2006. - Прил. № 8. - С. 43-46.
24. Ильин Р. А., Ильин А. К. Эффективность тепловых насосов с использованием дополнительного низкопотенциального источника // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. -Вып. 4. - Саратов: СНЦ РАН, 2006. - С. 95-99.
25. Ильин Р. А. Некоторые особенности обратных термодинамических циклов тепловых насосов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 6 (35). - С. 120-125.
26. Ильин Р. А., Атдаев Д. И., Ильин А. К. Оценка некоторых направлений повышения эффективности геотермальных теплоэнергетических систем // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2008. - № 9-10. - С. 28-35.
27. Ильин Р. А., Ильин А. К. Анализ совместной работы геотермального источника и теплового насоса // Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов: материалы II школы молодых ученых. - Махачкала: Ин-т проблем геотермии ДагНЦ РАН, 2008. - С. 123-125.
28. Ильин Р. А., Ильин А. К. Рейтинг современных теплоэнергетических установок // Академия энергетики. - 2009. - № 3 (29). - С. 90-93.
29. Ильин А. К., Ильин Р. А. Об учете затрат на создание топливных и нетопливных теплоэнергетических установок при сравнении их эффективности // Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии: материалы науч.-практ. семинара. - Элиста: КГУ, 2009. - С. 145-148.
Статья поступила в редакцию 1.02.2010
NEW APPROACH TO THE ESTIMATION OF HEAT PUMPS EFFICIENCY
R. A. Ilyin, A. K. Ilyin
A new approach to the estimation of heat pumps efficiency on the basis of power and exergy balances is described in the paper. Some new parameters of efficiency estimation of the system "Thermal power station - thermal pump -consumer" are discussed. Parameters, which allow to fully estimate their efficiency and to provide the set time of recoupment at the stage when conditions of thermal pumps application are used, are established.
Key words: heat pumps, application, efficiency, power balance, exergy balance.
