CC BY
44
МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.444+621.577
ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРАХ, РАБОТАЮЩИХ ПО ЦИКЛУ
СТИРЛИНГА
С. А.Г орожанкин
Кафедра теплотехники и теплогазоснабжения Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Украина, 86123 Макеевка, ул. Державина, 2
Выполнен анализ потерь энергии в термотрансформаторах, работающих по циклу Стирлинга. Они разделены на потери в процессах теплообмена, гидравлические, на трение и привод вспомогательных агрегатов. Рекомендованы выражения для расчета механических потерь на трение. Приведены составляющие других видов потерь в теплонасосных установках и холодильных машинах.
Тепловые насосы и холодильные установки на базе тепловых машин Стирлинга (ТМС) являются наиболее перспективными термотрансформаторами. Их коэффициенты преобразования энергии существенно выше, чем у компрессионных и абсорбционных машин. Включение агрегатов такого типа в инженерное оборудование зданий и сооружений позволяет значительно снизить энергопотребление. В настоящее время в ряде стран Азии и Африки эксплуатируются опытные установки с ТМС, обеспечивающие как отопление, горячее водоснабжение, так и охлаждение при кондиционировании воздуха. Они особенно эффективны в районах с малой плотностью застройки, сельской местности, поскольку становится возможным использование природных источников теплоты (водоемы, фунт, наружный воздух и др.).
Известно, что разработка и внедрение двигателей, работающих по циклу Стирлинга, встречают серьезные затруднения технологического характера. Это связано, в основном, с необходимостью обеспечения надежной герметизации рабочего тела и эффективной смазки подвижных деталей - поршней и штоков при высоких температурах и давлениях. В то же время создание термотрансформаторов, работающих по циклу Стирлинга, для систем теплоснабжения и кондиционирования не сопряжено с большинством из перечисленных проблем. Интервал рабочих температур в этих системах (обычно низкотемпературных) составляет, как правило, -10...+70 С. ТМС, используемые в них, не требуют сложных систем управления, т.к. регулирование их мощности сравнительно легко обеспечить изменением частоты вращения вала привода, особенно если для этой цели используются электродвигатели. Указанные преимущества способствуют расширению исследований в направлении разработок и создания таких систем.
В данной работе автор провел анализ потерь энергии в комплексной установке, в качестве основного агрегата которой применен термотрансформатор, работающий по циклу Стирлинга. Установка обеспечивает работу системы отопления здания в холодный период года, а также охлаждение помещений или воздуха, поступающего в них, в теплый период. Нагрев воды для сети горячего водоснабжения осуществляется с помощью этой же установки в любое время года.
Для термотрансформаторов низкотемпературных систем теплоснабжения характерны некоторые конструктивные особенности, отличающие их от собственно двигателей Стирлинга. Среди них следует отметить большие значения относительного «мертвого объема» внутреннего контура ТМС. Это вызывается увеличенными размерами нагревателей и охладителей из-за необходимости обеспечения их работы при малых температурных напорах. Кроме того, при использовании традиционных трубчатых теплообменников необходимо обеспечить надежную циркуляцию теплоносителей внешних контуров в межтрубном пространстве. Для этого, даже при соответствующей очистке жидкостей,
требуется применение трубок с наружным диаметром не менее 5мм. Это, в свою очередь, приводит к увеличению их количества и, соответственно, «мертвого объема» ТМС.
К другим специфическим особенностям подобных установок следует отнести сравнительно большие гидравлические сопротивления внешних контуров. Если в качестве источника теплоты используется, например, удаленный от объекта водоем или грунт с проложенными в нем трубопроводами длиной в сотни метров, то затраты энергии на прокачку теплоносителя (воды или водных растворов) могут составлять существенную долю потребляемой мощности. Теплообменники типа «воздух-жидкость» обычно требуют для интенсификации теплообмена в них установки дополнительных вентиляторов.
Теплонасосные установки (ТНУ) должны обладать большим ресурсом работы, поэтому в них недопустимы чрезмерные нагрузки механизма привода и высокие скорости вращения вала. Средняя скорость поршня в известных конструкциях двигателей Стирлинга обычно менее 3м/с [1,2]. Для термотрансформаторов следует принимать пониженные значения этой скорости. Последнее также приводит к некоторому возрастанию размеров ТМС.
Оценки распределения потерь в двигателях Стирлинга, приводимые в литературе, не дают возможности должным образом количественно оценить их составляющие. В настоящее время отсутствуют четкие критерии, классифицирующие потери в ТМС. Авторы зачастую не учитывают дополнительные затраты энергии вспомогательными агрегатами, механизмами или даже не упоминают о них. Существенные отличия результатов обусловлены также разнообразием схем и конструктивными особенностями машин. Так, например, интервал значений механического КПД, приводимых в литературе, лежит в пределах от 0.55 до 0.95 [1,2].
На основе проведенной оценки потерь на трение в основном механизме ТМС предложено [3] осуществлять вычисление механического КПД в соответствии с принципом, принятым для ДВС. Для этого вводится условное давление механических потерь, связанное со средней скоростью поршня выражением:
Рт=А + Ыт, (1)
где рт - условное давление механических потерь, МПа;
Jm - средняя скорость поршня, м/с.
Полученные и рекомендуемые для вычислений механических потерь на трение значения коэффициентов А и В приведены в таблице 1. При выборе коэффициентов руководствовались типом (модификацией) механизма привода, числом уплотнений, подшипников.
Таблица 1.
Зависимости для определения условного давления механических потерь на трение в ТМС для одной
пары рабочих полостей
Схема привода, модификация ТМС Число пар «цилиндр-поршень» Число пар «цилиндр-вытеснитель» Число пар «цилиндр-шток» Число пар «поршень-шток» Число подшипников А В
а-модификация 2 - - - 5 0,048 0,0079
(3-модификация 1 1 - 1 5 0,036 0,0079
у-модификация 1 1 1 - 5 0,036 0,0079
Ромбический механизм 1 1 - 1 10 0,054 0,0120
Двойного действия 1 - 1 3 0,024 0,0072
Мощность механических потерь на трение определяется как
Мя=рХ(1 + к)/г> (2)
где /г - частота вращения вала привода, с'1;
Уе - рабочий объем полости расширения;
к - отношение вытесняемых объемов рабочих полостей.
Гидравлические потери во внутреннем контуре ТМС, обусловленные движением рабочего тела в цилиндрах, нагревателе, охладителе и регенераторе, некоторые авторы относят к потерям трения. Объединение их с механическими некорректно и нерационально, поэтому в процессе оптимизации параметров машин их следует рассматривать раздельно. Величина гидравлических потерь характеризует совершенство внутреннего контура ТМС с точки зрения гидромеханики и непосредственно не связана с конструкцией механизма привода, узлов уплотнений, подшипниками и др.
Потери от неполноты регенерации, несовершенства процессов теплообмена во внутреннем контуре и гидравлические потери в комплексе определяют качество ТМС как тепловой машины. Варьирование этими параметрами и определение их значений в процессе оптимизации параметров ТМС дает возможность вычислить ее внутренний КПД. Его аналогом можно, в определенной мере, считать внутренний КПД газотурбинных двигателей, индикаторный КПД, широко используемый в теории ДВС.
Потери энергии на привод вспомогательных агрегатов ТМС определяются ее конструкцией. У термотрансформаторов количество этих агрегатов меньше, чем у двигателей, они обычно включают насос системы смазки, компрессор для подкачки рабочего тела с целью компенсации возможных его утечек. Однако любая ТНУ включает целый ряд дополнительных устройств, а именно: насосы для перекачивания теплоносителей внешних контуров, вентиляторы для интенсификации процессов теплообмена, если в качестве источника теплоты или теплоприемника используется наружный воздух. Мощность, потребляемая этими устройствами, может достигать значительных величин и включать потери на их привод, даже косвенно, в механический КПД не следует. В процессе оптимизации параметров ТНУ затраты энергии на привод дополнительных устройств не обязательно должны минимизироваться, т.к. основным критерием обычно служит коэффициент преобразования \|/ или КПД ТНУ в целом.
Исследования и количественная оценка потерь энергии в рассматриваемой комплексной ТНУ проведены методом замкнутой оптимизации [4] параметров с применением ЭВМ. В качестве оптимизируемого параметра принят коэффициент преобразования энергии при работе в режиме теплового насоса. При этом, помимо вышеперечисленных потерь энергии во внутреннем контуре, учитывались внутренние потери теплопроводностью, излучением и конвекцией, потери во внешних теплообменных контурах, а также механические потери в ТМС в соответствии с выражением (2).
В качестве примера в табл. 2 представлены результаты, полученные для теплового насоса с тепловой мощностью 64кВт. Источником низкопотенциальной теплоты для ТНУ принят грунт с расчетной температурой +4°С. В нем на глубине 1м расположен коллектор из полиэтиленовых труб общей длиной 2400м, выполненный в соответствии с рекомендациями [6]. В качестве рабочей жидкости, циркулирующей в коллекторе, используется раствор хлористого натрия, может быть применен раствор этиленгликоля. Это предотвращает обмерзание трубок теплообменников ТМС при отрицательных температурах грунта. Расчетная температура воды в низкотемпературной системе отопления объекта составляет +50/40°С, что позволяет практически обеспечивать и горячее водоснабжение.
Для термотрансформатора оптимизированы и вычислены параметры 12-цилиндровой ТМС двойного действия с одинаковыми температурами в полостях цилиндров [5]. В качестве рабочего тела принят водород, т.к. его применение при сравнительно низких температурах (до +100°С) не сопряжено с опасностями явления диффузии через стенки, характерного для высокотемпературных узлов двигателей. Замена водорода гелием, как показали расчеты, снижает коэффициент преобразования ТНУ на ~5%. Применение воздуха в качестве рабочего тела не только уменьшает коэффициент преобразования на ~30%, но и приводит к значительному росту размеров теплообменников и ТМС в целом вследствие ухудшения процессов теплообмена и регенерации во внутреннем контуре.
С целью повышения эффективности процессов теплообмена межтрубные пространства всех нагревателей соединены последовательно. Аналогично соединены межтрубные полости всех охладителей. Номинальная частота вращения вала привода принята равной 750 1/мин, что обеспечивает работу со средней скоростью поршня 1.2 м/с.
Исследования показали, что при принятых температурах коэффициент преобразования (отопительный коэффициент) ТНУ достигает величины 4.35 при значении эффективного КПД около 0.56. Для компрессорных ТНУ в том же температурном интервале коэффициент преобразования составляет [6] около 3. Полученные результаты явно свидетельствуют о том, что ТНУ с ТМС значительно эффективнее других типов тепловых насосов.
В режиме хладоснабжения эта же ТНУ обеспечивает холодопроизводительность до 50кВт при температурах источников +4/+30°С, что позволяет сохранять многие пищевые продукты. Теплота в этом случае отводится в грунт с расчетной температурой +30°С через тот же коллектор из труб.
Использование этой же ТМС дает возможность охлаждения помещений до температуры +20°С при тех же условиях отвода теплоты. Холодильный коэффициент в этом случае несколько выше и достигает 5.5, как это видно из таблицы 2, где приведены результаты вычислений потерь энергии ТНУ по их видам.
Таблица 2
Относительные потери энергии в долях от общих потерь для термотрансформатора при его работе в режимах теплового насоса и охладителя
Вид потерь энергии в ТНУ Тепловой насос с тепловой мощностью 64 кВт при +4/+50°С, V|/=4.35 Охладитель с холодопроизводитель-ностью 50 кВт при +20/+30°С, 8=5.5
Трение в механизме привода 0,22 0,20
Потери в процессах теплообмена 0,41 0,61
Потери из-за неполной регенерации 0,11 0,03
Г идравлические потери во внутреннем контуре 0,08 0,06
Потери теплопроводностью и излучением 0,02 0,01
Г идравлические потери во внешних контурах 0,11 0,04
Потери при теплообмене в источнике теплоты 0,05 0,05
Итого: 1,00 1,00
Результаты показывают, что со снижением разности температур источника теплоты и теплоприемника возрастают относительные потери во внутреннем контуре ТМС. Для ТНУ, как и для двигателей, наибольшими из них являются потери, вызванные несовершенством процессов теплообмена. Их суммарная величина, как во внутреннем, так и внешнем контурах может в отдельных случаях превышать 50% общих потерь энергии. При разработке, расчетах и проектировании ТМС следует учитывать, что тепловые напоры в нагревателе и охладителе, хотя и невелики (4-10°С), но соизмеримы с разностью температур источников теплоты. Поэтому наибольшее внимание необходимо обращать именно на совершенствование теплообменников.
Относительные потери от неполноты регенерации, как показали исследования, в термотрансформаторах меньше, чем в двигателях. Гидравлические потери во внутреннем и внешних контурах сравнительно невелики, поэтому в термотрансформаторах, если позволяет компоновка ТМС, можно применять теплообменники со значительной длиной трубок. Благодаря этому удается повысить скорости теплоносителей и увеличить коэффициенты теплоотдачи как на внутренних, так и на внешних их поверхностях. Это, в свою очередь, позволит несколько снизить вышеупомянутые температурные напоры.
Одним из путей улучшения теплообмена может также явиться применение тепловых труб или жидкометаллических теплоносителей, но это потребует создания дополнительных промежуточных контуров в ТНУ.
Внутренние потери в машине теплопроводностью, а также внешние потери конвекцией и излучением, сравнительно невелики (2%) ввиду того, что автор применил в схему с «изотермическими» цилиндрами. Рабочие полости этих цилиндров соединяются с нагревателями и охладителями таким образом, что температура газа по обе стороны поршней одинакова. При этой схеме средняя температура половины цилиндров близка к температуре нагревателей, а другой половины цилиндров - к температуре охладителей. Такие ТМС могут быть построены при числе цилиндров 4 и более [5]. Они позволяют исключить потери теплопроводностью стенками цилиндров и поршней, «челночный» перенос теплоты [1,2], а также снизить потери конвекцией и излучением отдельных частей УТМС примерно вдвое. В комплексе с мероприятиями по теплоизоляции удается повысить коэффициент преобразования на 1-2%. Подобные схемы для двигателей Стирлинга, работающих на органическом топливе, практически неосуществимы вследствие высоких температур рабочего тела и невозможности обеспечения работы уплотнений поршней и штоков при этих температурах.
Представленные в табл. 2 значения потерь вычислены для номинального режима работы теплового насоса. При отклонениях температур, мощности, расходов теплоносителей от номинальных соотношения между видами потерь изменяются, как это видно из результатов, приведенных в таблице. В зависимости от принятых принципов и законов регулирования параметров на режимах неполной (частичной) мощности коэффициенты преобразования термотрансформаторов и эффективный КПД могут даже несколько возрастать.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. -М.Машиностроение, 1985. -408с.
2. Ридер Г., Хупер Г. Двигатели Стирлинга. -М.:Мир,1986. -464с.
3. Горожанкин С.А. Метод расчета механических потерь в машинах Стирлинга. -В сб.:Вісник Донбаської держ. акад. буд. і арх. Вип.2001-6(31), 2001.
4. Горожанкин С.А. Метод замкнутой оптимизации для анализа параметров действительных циклов машин Стирлинга. -Узб.іВісник Донбаської держ. акад. буд. і арх. Вип.2000-5(25), 2000, с. 14-18.
5. Горожанкин С.А. Модульный принцип построения универсальных тепловых машин Стирлинга. -В сб.:Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. Научных трудов. -Донецк:ДонГТУ, 2002. Вып.20, с. 100-104.
6. Хайнрих Г., Найорк X., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. -М.:Стройиздат, 1985. -351с.
ESTIMATION OF ENERGY LOSSES IN HEAT PUMPS, WORKING BY STIRLING CYCLE
S.A.Gorozhankin
Depatment of thermal engineering, heat and gas supply Donbas state academy of civil engineering and architecture 2 Derzhavin Street,, Makeevka, 86123, Ukraine
The assaying of energy losses in heat pumps, working by Stirling cycle is executed. They separate into losses at heat interchange, hydraulic, on abrasion and drive of accessories. The expressions for calculation of mechanical losses on abrasion are recommended, are adduced constituting of other kinds of losses in heat pumps and cooling machines.
Горожанкин Сергей Андреевич. Родился 19.09.47r в г.Харькове, в 1971г окончил Харьковский авиационный институт. Кандидат технических наук (1981), доцент (1988). Заведующий кафедрой Донбасской государственной академии строительства и архитектуры, Украина. Опубликовал 57 научных работ. Основное научное направление - исследования тепловых машин Стирлинга и их параметров.
Sergey A. Gorozhankin was bom 19 09.47 in Kharkov, in 1971 graduated Kharkov aviation institute. Candidate of engineering science (1981), assistant-professor (1988). Head of chair in Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture, Ukraine. Has published 57 scientific works. The main scientific direction is research of Stirling thermal machines and their parameters.
