CC BY
40
УДК 621.438
ПОДОГРЕВ ДОБАВОЧНОЙ ЦИКЛОВОЙ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ТНУ И.К. Шаталов, Ю.А. Антипов
Кафедра теплотехники и турбомашин Российского университета дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, б, 117198, Москва, Россия
Приводится расчетный анализ использования теплонасосной установки для подогрева добавочной воды цикла вместо обычного подогрева отборным паром
Основы теории и принцип действия теплового насоса известны уже более 100 лет. Первая крупная теплонасосная установка (ТНУ) мощностью 175 кВт, для отопления здания, была введена в действие в Цюрихе в 1939 году.
Массовое производство и внедрение тепловых насосов в настоящее время осуществляется в QUA, Японии, Германии, Франции, Швеции, Дании, Австрии, Канаде и других странах. Многие специалисты считают, что ТНУ в ближайшей перспективе не только найдут повсеместное применение, но и займут основное место в низкотемпературных системах теплоснабжения. Основным типом используемых установок являются теплонасосные кондиционеры для тепло- и холодоснабжения односемейных коттеджей теплопроизводигель-ностью 2-15 кВт, обычно включающие пиковый подогреватель обычного типа. В качестве низкопотенциального источника (ИНТ) теплоты в основном используется воздух, вода, а также грунт и грунтовые воды.
Даже в промышленно развитых странах, где ТНУ находят массовое применение, уровень их развития не отвечает потенциальным возможностям этих качественно новых теплоисточников, способных радикально улучшить ситуацию не только в области теплоснабжения, но и в энергетике в целом. В странах же СНГ теплонасосная техника находится в стадии опытно-промышленного освоения.
Общая тепловая мощность всех теплонасосных установок в России к 2001 году составляла около 52 МВт [1]. К факторам, сдерживающим развитие ТНУ в России, относятся: низкая стоимость топлива, в особенности искусственная дешевизна природного газа [2]; отсутствие механизмов, стимулирующих внедрение ТНУ (в Германии государственные дотации за 1 кВт установленной мощности ТНУ составляли 300-350 марок); причины организационного и правового характера.
ТНУ - это устройства, работающие по обратному (холодильному) термодинамическому циклу. Они предназначены для преобразования теплоты низкого потенциала - воды, грунта, воздуха, различных тепловых выбросов - в теплоту, пригодную для теплоснабжения и других целей. Они содержат те же основные агрегаты, что и холодильные машины, и обычно используют один и тот же класс рабочих агентов. Поэтому при создании ТНУ успешно используется опыт холодильного машиностроения.
Теплонаносная установка осуществляет передачу внутренней энергии от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой. Поскольку в соответствии со вторым основным законом термодинамики тепловая энергия без каких-либо внешних воздействий может переходить только с высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать внешний источник энергии.
Источники, поставляющие тепловую энергию с низкой температурой для осуществления теплонасосного цикла (ИНТ), могут быть естественного и искусственного происхождения.
Источники естественного происхождения: наружный воздух; подземные воды; поверхностные воды; грунт; солнечная энергия; геотермальная энергия.
Источники искусственного происхождения: очищенные сточные воды; промышленные стоки; циркуляционная вода ТЭС; нагретые продукты технологических процессов; нагретый воздух систем вентиляции и кондиционирования.
Теплонасосные установки могут быть классифицированы по принципу работы следующим образом [4]: компрессионные, сорбционные, струйные, термоэлектрические и магнитные. Практический интерес представляют компрессионные и сорбционные ТНУ.
Сорбционные ТНУ - принцип работы основан на последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделении (десорбции) рабочего агента из сорбента.
Сорбционные ТНУ делятся на абсорбционные и адсорбционные. В абсорбционных ТНУ процесс поглощения осуществляется внутри абсорбента, на границе раздела жидкой и паровой фаз. В адсорбционных процесс поглощения агента осуществляется на поверхности адсорбента, находящегося, как правило, в твердой фазе. В качестве внешнего источника энергии используется тепло. Из группы сорбционных ТНУ в основном применяются абсорбционные теплонасосные установки.
Компрессионные ТНУ (получили наибольшее распространение) - принцип работы не отличается от принципа работы холодильной машины и основан на осуществлении обратного цикла Карно. Компрессионные установки делятся на паровые (парокомпрессионные) и газовые. В парокомпрессионных установках в процессе работы изменяется агрегатное состояние рабочего агента (конденсация агента после его сжатия и испарение агента после его расширения). В газовых установках агрегатное состояние агента в процессе работы не изменяется. В качестве внешнего источника энергии в компрессионных ТНУ используется механическая и электрическая энергии.
Рис. 1. Принципиальная схема ТНУ:
КМ-компрессор; К-конденсатор; ПО - переохладитель; РВ - регулирующий вентиль; И- испаритель;
*н1 и ^и2 - температуры источника низкого потенциала; /В| и /,2 - температуры источника высокого потенциала
Схема парокомпрессионной ТНУ приведена на рис.1. При кипении в испарителе рабочий агент (фреон, аммиак или другое легкокипящее вещество) отнимает тепло низкого потенциала. Пар рабочего агента, сжатый в компрессоре, поступает в конденсатор , где кон-
денсируясь отдает на более высоком температурном уровне тепло фазового перехода потребителю. Конденсат рабочего агента частично охлаждается в переохладителе, дросселируется и вновь поступает в испаритель.
ТНУ в энергетике. Чаще всего ТНУ применяются для целей теплоснабжения. В качестве источника низкого потенциала служит тепло грунта, промышленных стоков, вода, солнечная энергия и т.д. Однако в последние десятилетия наметилась тенденция к применению ТНУ в энергетике, непосредственно на тепловых электростанциях (ТЭС). Так при проектировании современных парогазовых установок на базе авиационных двигателей ТНУ включена в тепловую схему [5].
Для успешного применения ТНУ в энергетике необходимы два условия: наличие постоянных источников низкопотенциального тепла и потребителей более высокого потенциала. На тепловой электростанции имеются постоянные ИНТ, а также потребители теплоты. Основные источники ИНТ на ТЭС: циркуляционная вода конденсаторов; тепло уходящих газов; тепло охлаждения масла в маслоохладителях, тепло охлаждения трансформаторов, тепло вентиляции служебных помещений. Все перечисленные ИНТ могут быть утилизированы с помощью ТНУ. Однако самым привлекательным для использования в ТНУ в качестве ИНТ, является циркуляционная вода конденсаторов в силу наличия в течение всего года и больших резервов. Объем теплоты, выбрасываемой градирнями на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в период отопительного сезона, составляет 1850-2300 МВт [6].
С другой стороны, теплота более высокого потенциала может быть использована: для подогрева сетевой воды (1 ступень); подогрева подпиточной цикловой воды; подогрева подпиточной сетевой воды; выработки горячей воды для горячего водоснабжения и т.д. Примеры использования теплонасосных установок приводятся в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Примеры использования ТНУ в Западной Европе
Местонахождение, страна Тепловая мощность ТНС, МВт Вид ИНТ Максимальная температура теплоносителя, °С Тип привода*
Бейрет Инл., ФРГ 4,6 Циркуляционная вода 50 Электропривод
Киль, ФРГ 7-9 Циркуляционная вода 78-85 Электропривод
Хельсинки, Финляндия 10,5 Циркуляционная вода 70 Электропривод
Хельсинки, Финляндия 11,3 Циркуляционная вода 80 Электропривод
Троллхаттан, Швеция 7,5 Циркуляционная вода 80 Электропривод
Одной из основных характеристик ТНУ является коэффициент преобразования, равный отношению полученной энергии к затраченной (для парокомпрессионной ТНУ это затраты энергии на привод компрессора).
Действительный (реальный) коэффициент преобразования ТНУ определяется по выражению:
Т
У-ь ~ ИсЛе ~ *
т
где цс =-----------коэффициент преобразования идеального цикла (цикл Карно);
Т — Т0
Т0 и Т - температуры нижнего и верхнего источников тепла;
Г)е - коэффициент, учитывающий все потери в ТНУ.
Таблица 2
Примеры использования ТНУ в России
Место- нахождение тнс Объект отопления и горячего водоснабжения Вид ИНТ Температура ИНТ, °С Тепловая мощность ТНУ, МВт Максимальная температура тепло-носителя, °С Год пуска
Горно- Алтайская реси.: Барнаул ТЭЦ-1 Циркуляционная вода 15-30 3,0 62 1995
Москва ТЭЦ-28 Циркуляционная вода 20-35 1,0 80 1999
Тово-сибирск ТЭЦ-4 Циркуляционная вода 20-30 1,0 65 1999
Рис.2. Зависимость коэффициента преобразования от разности температур:
- - расчет;-опыт [3]; - опыт [6]
На рис.2 представлены зависимости (Лс и ¡лд от разности температур в конденсаторе и испарителе ТНУ. Как видно из рис. 2, эффективность ТНУ главным образом зависит от разности Ы = Т — Т0 и в меньшей степени от температуры нижнего источника тепла. Если
учесть, что потребляемая компрессором ТНУ электрическая энергия в 3,0-3,5 раза дороже тепловой энергии, то реальный коэффициент преобразования должен быть не менее 3,5. Из экспериментальных данных, приведенных на рис.2, следует, что эффективно теплонасосная
установка может работать при разности температур АТ < 30° С К. С другой стороны, если принять, что температурные напоры в испарителе ТНУ и в ее конденсаторе - 5 °С и минимальный подогрев теплоносителя в конденсаторе ТНУ - 5 °С, то минимальное значение АТ
должно быть больше 10-15°С. Таким образом, для эффективного использования ТНУ разница ЛГ должна лежать в пределах 10 °С 5 ДТ£ 30 °С.
На ТЭС имеются потребители теплоты, производимой ТНУ, именно в указанных интервалах это- (первичный подогрев обратной сетевой воды; добавочной сетевой воды; добавочной цикловой воды) В [6], на основе опытных данных, доказывается целесообразность использования ТНУ для подогрева добавочной и обратной сетевой воды.
Таблица 3
Параметры ТНУ при работе в различных условиях
№ Параметр Зима Лето Примечания
1 Температура воды на выходе из конденсатора, °С 20 40
2 Температура воды на входе в конденсатор, °С 12 28
3 Температура источника добавочной цикловой воды ^1. °С 5 12
4 Температура добавочной цикловой воды после ТНУ (перед химобработкой), °С 30 30
5 Потребность в добавочной цикловой воде, т/ч 400 400
6 Тепловая мощность ТНУ, кВт 12000 8600 Вариант 1 - подогрев добавочной цикловой воды только в ТНУ
7 Мощность привода компрессора ТНУ, кВт 1600 520
8 Недовыработанная мощность паровой турбины, кВт 2300 850
9 Расход охлаждающей воды через испаритель ТНУ, т/ч 1130 495
10 Тепловая мощность ТНУ, кВт 6800 - Вариант 2 - подогрев добавочной цикловой воды по схеме, рис.З.
11 Мощность привода компрессора ТНУ, кВт 900 -
12 Недовыработанная мощность паровой турбины, кВт 1650
13 Расход охлаждающей воды через испаритель ТНУ, т/ч 1050 -
Рис.З Схема ступенчатого подогрева добавочной цикловой воды:
7-конденсатор ПТУ; 2-градирня; 3 - водо-водяной теплообменник; 4 - конденсатор ТНУ; 5 - испаритель ТНУ
Очевидно, что целесообразность замены обычного подогрева добавочной воды отборным паром на ее подогрев с помощью теплонасосной установки будет определяться условием AN > NK /r¡M fa. To есть недовыработанная паровой турбиной мощность из-за отбора пара (на клеммах генератора) AN должна быть больше мощности NK .потребляемой компрессором ТНУ с учетом механических и электрических потерь в электродвигателе.
Ниже приведен пример расчета ТНУ для подогрева подпиточной цикловой воды как альтернативы ее подогрева традиционным путем, то есть за счет отборного пара. Принятая схема ТНУ аналогична представленной на рис.1. КПД компрессора принимался равным
0.75. температурный напор в конденсаторе и испарителе -5°С, Рабочий агент - фреон R22. По технологическим соображениям температура подпиточной цикловой воды перед химоб-работкой должна бьггь 30 °С.
В табл. 3 приводятся недостающие исходные данные (п.п. 1-5) и результаты расчета ТНУ для подогрева подпиточной цикловой воды (п.п. 6-13). Рассмотрены два варианта. Вариант 1 - подогрев добавочной цикловой вод только в ТНУ в течение всего года. Из данных табл. 3 видно, что выработка дополнительной мощности превышает мощность, затрачиваемую на привод компрессора, зимой в 1,8 и в летнее время - в 3,5 раза. Вариант 2. В зимнее время подогрев добавочной воды осуществляется последовательно (рис.З) в водоводяном теплообменнике и в ТНУ. При этом затрачиваемая мощность на привод компрессора в 1,5 раза меньше недовыработанной мощности ПТУ.
В летнее время температура циркуляционной воды на выходе из конденсатора позволяет производить подогрев добавочной цикловой воды только в водоводяном теплообменнике. Максимальная тепловая мощность ТНУ (для подогрева 400 т/ч добавочной воды) равна 12000 кВт зимой и 8600 летом. Вариант 2 - ТНУ работает только зимой. Подогрев добавочной воды осуществляется ступенчато (рис. 3) в водоводяном теплообменнике и в ТНУ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петин Ю.М. Опыт десятилетнего произвадства тепловых насосов в ЗАО «Энергия». -«Энергетическая политика», 2001, №3.
2. Процент В.П., Горшков В.Г., Осипович С.В. Об опыте использования тепловых насосов в Чувашской республике. - «Новости теплоснабжения», 2003, №1.
3. Хайнрик Г., Найрок X., Нестер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения: перевод с нем. // Под ред. Явнеля Б.К. - М.: Стройиздат, 1985 г.
4. Соколов Е.А., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергия, 1968 г.
5. Фаворский Е.Н. и др. Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасосной установкой (111 У МЭС-60) для АО “Мосэнерго”// Теплоэнергетика, №1, 2001 г.
6. Девяти Д.Н., Пищиков С.И., Соколов Ю.Н. Разработка и испытание на ТЭЦ-28 лабораторного стенда по апробации схем использования тепловых насосных установок в энергетике.-« Новости теплоснабжения», 2000, №9.
UDC 621.438
HEATING OF ADDITIONAL SYCLE WATER WITH THE HELP OF HEAT PUMPS
L K. Shatalov, Yu. A. Antipov
Department of Heat Engineering and Turbomashineiy Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya st., 6, 117198, Moscow, Russia
It is shown, that heating of additional cycle water for power station by heat pumps is more effective than traditional way.
