CC BY
18
- © А.Н. Жаткин, 2014
УДК 621.542
А.Н. Жаткин
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ РУДНИЧНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК С УЧЕТОМ НЕСОВЕРШЕНСТВА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Энергетическая эффективность рудничных компрессорных установок может быть повышена более полной утилизацией вторичных энергоресурсов за счет применения тепловых насосов. Сравнительный анализ применения рабочих агентов тепловых насосов, анализ влияния потерь в его элементах, позволяет выделить наиболее приемлемые параметры, а также повысить энергетические характеристики утилизации вторичных энергоресурсов. Ключевые слова:
Энергетическая эффективность рудничных компрессорных установок (РКУ) может быть повышена более полной утилизацией вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся в результате их работы. Вторичными энергоресурсами РКУ
являются теплота оборотной воды, отводимая при охлаждении узлов и механизмов. Для большинства промышленных РКУ температура оборотный воды лежит в диапазоне 3035 °С и именно она является главным ВЭР РКУ.
Рис. 1. Схема установки утилизирующей ВЭР РКУ
Рис. 2. Сравнение цТН различных типов рабочих агентов
Рудничные компрессорные установки ежегодно сбрасывают тепло отработанных вод из системы охлаждения в атмосферу. Низкопотенциальное тепло от компрессоров, которое сбрасывается в атмосферу может быть утилизировано при благоприятных условиях. В настоящее время наибольшее распространение получили тепловые насосы, в которых осуществляется парокомпрессионный теплонасосный цикл. На рис. 1 схематично представлена конструкция утилизационной установки ВЭР РКУ для передачи теплоты от источника к испарителю ТН.
Теплота низкопотенциального источника используется для подачи ее в испаритель теплонасосной установки ТНУ и с последующей возможностью подогрева для потребителя в сети. Подача теплоты к испарителю ТНУ возможно непосредственно теплоносителем источника теплоты или с использованием промежуточного теплоносителя, циркулирующего под воздействием насосов с механическим приводом.
Наиболее важной характеристикой ТН является его коэффициент преобразования цта. Экономически эффективным ТН можно признать в случае, когда цТН > 4. При разработке для выбора оптимальной схемы теплонасосной установки необходимо знать влияние факторов на цта
и других важных параметров, такие как: степень сжатия, расход рабочего агента и другие.
Эффективность работы ТН зависит от значительного количества факторов, которые можно разделить на две основные группы:
Внешние факторы:
• параметры низкопотенциального источника тепла;
• требуемая температура потребителя тепла;
• внутренние факторы:
• тип рабочего агента;
• совершенство теплообменников;
• конструктивные особенности ТН.
Существенное влияние на цТН оказывает тип рабочего агента, используемого в ТН. До последнего времени рабочими агентами с наилучшими энергетическими и эксплуатационными характеристиками являлись хлор-фторуглероды (фреоны).
Сравнительный анализ применения рабочих агентов проведен для распространенных вариантов позволяющие получить более высокую температуру при допустимом давлении по сравнению с однокомпонентными веществами, а также повысить энергетические характеристики ТН. В качестве параметров для сравнения работы ТН на различных рабочих агентах был выбран: коэффициент преобразования цТН.
Расчет проводился по методике, представленной в [2], на основании характеристики типов рабочих агентов. Результаты проведенного сравнения представлены на рис. 2.
Полученные результаты показывают, что наиболее перспективными из альтернативных рабочих агентов представляются вещества Н142Ь, Н717 (аммиак). Прочие РА имеют низкий коэффициент преобразования или же относятся к группе рабочих агентов, применение которых запрещено или ограничено.
Эффективность ТН при работе совместно с РКУ будет определятся рядом факторов, основанных на потерях при работе.
Потери при дросселировании
В реальном цикле теплового насоса процесс расширения рабочего вещества осуществляется при дросселировании в дроссель-вентиле. В этом случае на привод теплового насоса затрачивается работы больше, чем в обратном цикле Карно, т.к. в процессе дросселирования часть работы преобразуется в теплоту, воспринимаемую рабочим веществом. Потери при дросселировании рабочего вещества в дроссель-вентиле теплового
насоса могут быть охарактеризо-ваны отношением коэффициента преобразования цикла с дросселированием к коэффициенту преобразования обратного цикла Карно (в том же температурном диапазоне рабочего вещества):
М" КАРНО
где ц - коэффициент преобразования цикла теплового насоса с дросселированием рабочего вещества; цКАРНО - коэффициент преобразования обратного обратимого цикла Кар-но. На рис. 3 приведены некоторые из характеристик обратного обратимого цикла теплового насоса с расширением рабочего вещества при дросселировании, изобарно-изотермическими процессами подвода и отвода теплоты для рабочих веществ Н22, Н502, Н134а, Н12, Н142Б, Н718, Н717.
Потери при сжатии рабочего вещества
В компрессоре теплового насоса существуют следующие потери: газодинамические - вследствие потерь давления во всасывающем канале (фильтре, вентиле, встроенном электродвигателе, глушителе, трубке,
ЮН № Н502 Я!34а Я12 Н142в Н718
Рис. 3. Характеристики циклов теплового насоса с различными рабочими веществами
Рис. 4. Коэффициент потерь при дросселировании рабочего вещества цдр = £ (Т1; Т1-Т0), Я142, по результатам расчетов
камере) и клапане, а также в нагнетательном канале; от теплопритоков к пару во всасывающем канале и цилиндре компрессора, а также (при влажном ходе) от испарения жидкости; от протечек сжатого пара из цилиндра через неплотности; электрические потери (в электродвигателе, приводящем компрессор).
Показателем совершенства неох-лаждаемых компрессоров является адиабатный К.П.Д. (также называют внутренним или индикаторным), который определяется отношением мощности или работы эталонного адиабатного процесса к мощности или работе действительного процесса сжатия (энергетическими процессами):
п = 1 д / 1 -
1ад а действ
Потери при дросселировании для цикла с адиабатным сжатием, показаны на рис. 4.
Адиабатный к.п.д. компрессоров ТП сильно влияет на энергетическую эффективность в целом теплового насоса, но это влияние меньше, чем в холодильной машине, что связано с переходом этих потерь в компрессоре в полезную теплоту, отводимую в конденсаторе. Адиабатный к.н.д. зависит от соотношения максимального и минимального давлений в цикле ТН.
Эффективный к. п. д. компрессора отличается от адиабатного тем, что учитываются также мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в компрессоре, на привод масляного насоса, на барботаж масла и рабочего вещества в картере компрессора. Связь между эффективным, адиабатным и механическим к.п.д. выразится формулой:
п = п ■ п
1в 11 1м
где пв - эффективный к.п.д. компрессора; пм - механический к.п.д. компрессора принимается: пм = 0,85. Потери в электродвигателе компрессора учитываются к.п.д. электродвигателя, который принимается равным Пм = 0,9. Связь между действительным коэффициентом преобразования и энергетическими коэффициентами выразится формулой:
П = Т1 -плр -п, -пм -пэл/(Т1 -То) +
+пэл •(1 -П, 'Пм)
В тепловом насосе, при утилизации вторичных энергоресурсов РКУ, наиболее значительными являются потери при сжатии и дросселировании рабочего вещества, которые в значительной степени определяются режимом работы тепловых насосов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Миняв Ю.Н. Энергосбережение при производстве и распределении сжатого воздуха на промышленных предприятиях. - Екатеринбург, 2002.
2. Везиришвилли О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. - М.: МЭИ. 1994. -160 с.
3. Андрющенко А.И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов
для централизованного теплоснабжения // Промышленная энергетика. - 1997. - № 6. -С. 2-4.
4. Абуев И.М. Системы теплоснабжения с применением тепловых насосов. // Новости теплоснабжения. - 2006. - № 12. -С. 24-26.
5. Трухний А.Д., Петрунин С.В. Расчет тепловых схем парогазовых установок утилизационного типа. - М.: МЭИ, 2001.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Жаткин Александр Николаевич - аспирант,
Уральский государственный горный университет, e-mail: [email protected].
UDC 621.542
EVALUATION EFFICIENCY OF UTILIZATION OF SECONDARY ENERGY RESOURCES MINE COMPRESSOR INSTALLATIONS, TAKING INTO ACCOUNT THE IMPERFECTIONS HEAT PUMPS
Zhatkin A.N., Graduate Student,
Ural State Mining University e-mail: [email protected].
Energy efficiency mine compressor installations can be increased more complete utilization of secondary energy resources through the use of heat pumps.
Comparative analysis of application of working agents heat pumps, analysis of the impact of losses in its elements, allows you to select the most appropriate options and to increase the energy characteristics of utilization of secondary energy resources.
Key words: mine compressor, heat-pump, energy efficiency, efficiency, consumer.
REFERENCES
1. Minjav Ju.N. Jenergosberezhenie pri proizvodstve i raspredelenii szhatogo vozduha na promyshlen-nyh predprijatijah (Energy saving in compressed air generation and distribution in industrial undertakings), Ekaterinburg, 2002.
2. Vezirishvilli O.Sh., Meladze N.V. Jenergosberegajushhie teplonasosnye sistemy teplo- i hladosnabz-henija (Energy-saving heat pump systems of heat and refrigeration supply), Moscow, MJel, 1994, 160 p.
3. Andrjushhenko A.l. Promyshlennaja jenergetika, 1997, no 6, pp. 2-4.
4. Abuev l.M. Novosti teplosnabzhenija. 2006, no 12, pp. 24-26.
5. Truhnij A.D., Petrunin S.V. Raschet teplovyh shem parogazovyh ustanovok utilizacionnogo tipa (Calculation of heat circuits in disposal-type combined-cycle plants), Moscow, MJel, 2001.
