CC BY
55
УДК 621.577 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-4-42-45
ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КАСКАДНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА
INCREASE THE HEAT PUMP CASCADE COEFFICIENT OF PERFORMANCE
© 2016 г. Н.Н. Ефимов, Е.М. Дьяконов, С.И. Евтушенко, В.В. Папин, Р.В. Безуглов
Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-76-06. E-mail: [email protected]
Дьяконов Евгений Михайлович - канд. техн. наук, проректор по образовательной деятельности, доцент, ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 255-420. E-mail: [email protected]
Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations and Heat Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-76-06. E-mail: [email protected]
Diakonov Evgeny Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, Vice-Rector for educational activities Scientific degree, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 255-420. E-mail: rektorat@ npi-tu.ru
Евтушенко Сергей Иванович - д-р техн. наук, профессор, Evtushenko Sergey Ivanovich - Doctor of Technical Sciences,
кафедра «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства и фундаментостроение», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Папин Владимир Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635) 22-76-06. E-mail: [email protected]
Безуглов Роман Владимирович - мл. науч. сотр., УНРиИД, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
professor, department «Automated Design Systems and construction of foundation facilities», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Papin Vladimir Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Thermal Power Stations and Heat Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635) 22-76-06. E-mail: [email protected]
Bezuglov Roman Vladimirovich - Jr. nauchnbiy vicar, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Рассматривается возможность повышения коэффициента преобразования теплового насоса до уровня, обеспечивающего его окупаемость с природным газом. Основное мероприятие, позволяющее достичь данного показателя - разделение в тепловом потребителе (доме) источников и приемников по температурным потенциалам. Теплота внутренних источников аккумулируется и трансформируется в соответствующем каскаде теплонасосной установки до потенциала, необходимого конкретному приемнику, при этом также используются внешние низкопотенциальные источники.
Ключевые слова: тепловой насос; каскад; коэффициент преобразования; аккумулятор теплоты; отопление; горячее водоснабжение.
The report addresses issues of improving the efficiency of heat supply systems, including heat pumps, due to the principle of accumulation of heating energy. Accumulation occurs in compact heat accumulators and based on the effect of the phase transition of various substances, such as paraffin or Glauber's salt.
Keywords: heat pump; cascade; coefficient of performance; the heat accumulator; heating; hot water.
Введение
Использование тепловых насосов для энергоснабжения индивидуальных децентрализован-
ных потребителей очень выгодно в сравнении с отоплением на угле, мазуте, электричестве и дровах. При сравнении затрат на тепловой насос и газовое отопление энергетическая эффективность
оправдана, начиная с коэффициента преобразования теплового насоса СОР = 3 [1], но существующие тарифы на газ и электроэнергию делают экономически оправданным коэффициент преобразования только при СОР = 5. Современные геотермальные тепловые насосы имеют СОР = = 3 - 4. Таким образом, существующие теплона-сосные системы не могут конкурировать по эксплуатационным затратам с природным газом. Данная проблема пока не решена. Попытки модернизации цикла парокомпрессионных тепловых насосов в мировой практике сводились к принятию следующих мер: перевод отопительных приборов на низкотемпературный режим, внутренняя рекуперация парокомпрессионного цикла, включение компрессоров в каскадные схемы. Такие мероприятия позволили поднять коэффициент преобразования до СОР = 4,2, при температуре низкопотенциального источника (грунт) 10 - 12 °С, но это все равно не достаточно для конкуренции с природным газом.
Существует еще одна особенность при теплоснабжении индивидуальных потребителей. Как правило, нагрузка на отопление выше примерно в 10 раз нагрузки на горячее водоснабжение. Например, если для отопления требуется отопительный прибор мощностью 15 кВт, то для горячего водоснабжения достаточно иметь нагреватель мощностью 1,5 кВт. Этот факт обычно не учитывается при теплоснабжении тепловыми насосами каскадного типа.
В настоящее время в России не ведутся комплексные исследования по созданию отечественных систем энергоснабжения на основе тепловых насосов [2]. Ведутся отдельные работы, которые фактически копируют западные технологии [3]. При этом особенности климатических зон, что крайне важно для наших условий, практически не рассматриваются. Невозможно создать изделие, которое одинаково хорошо работает в условиях южных регионов и крайнего севера.
Существующие каскадные тепловые насосы подразделяются на два разных типа:
- параллельное включение одноконтурных тепловых насосов, запитанных от одного низкопотенциального источника, для наращивания выдаваемой мощности установки;
- последовательное включение компрессоров для увеличения температуры выдаваемого теплоносителя.
В первом случае увеличивается количество выдаваемой энергии, во втором случае повышается температура теплоносителя. Данные реше-
ния по конструкции теплового насоса только формально можно отнести к каскадным схемам. Они позволяют решать только одну поставленную задачу: либо отопление, либо кондиционирование. Приготовление горячей воды в этом случае является вспомогательной опцией. На Российском рынке отсутствуют отечественные тепловые насосы, изготовленные из отечественных комплектующих. Импортные тепловые насосы имеют высокую стоимость и недостаточную эффективность для конкуренции с газовым оборудованием [4].
Основная концепция повышения
эффективности теплового насоса
Предлагаемая в данной статье концепция заключается в принципиально ином подходе к разработке тепловой схемы многоуровнего каскадного теплового насоса, которая обеспечивает перетоки тепловой энергии от источников к приемникам внутри и вне потребителя за счет ступенчатой структуры парокомпрессионных теп-лонасосных установок. Данная схема позволяет обеспечить одновременное производство необходимого количества тепловой энергии с различной требуемой температурой и мощностью теплоносителя для покрытия нужд как отопления, так и приготовления горячей воды, а также получения холода для функционирования системы вентиляции и кондиционирования вплоть до заморозки продуктов питания.
При этом происходит переток энергии внутри потребителя (здания). При кондиционировании помещений отводимая из них теплота направляется на горячее водоснабжение, а при отоплении теплота берется не только из низкопотенциального источника, но и с технологических стоков потребителя: вентиляционных каналов, из камеры хранения продуктов и т.д. В данной схеме очень актуально накопление теплоты при различных тепловых потенциалах [5 - 7]. Это связано с тем, что графики поступления низкопотенциальной теплоты как источника не совпадают с графиками потребления теплоты [8]. Причем разный температурный потенциал источников и разный температурный потенциал приемников диктуют необходимость накапливать тепловую энергию сразу в нескольких точках схемы, при разном потенциале. Теплоемкостное аккумулирование в виде явной теплоты в данном случае нецелесообразно из-за высоких габаритов аккумулятора, наиболее эффективным является аккумулирование скрытой теплоты, используя прин-
цип фазового перехода вещества [9 - 10]. Для реализации рассматриваемого в данной статье принципа необходимо создание многоуровнего компактного аккумулятора теплоты, имеющего секции с различными веществами, имеющими отличные друг от друга температуры фазового перехода для аккумулирования тепловой энергии различных потенциалов различных точек тепловой схемы многоуровневой каскадной теплона-сосной установки.
Ранее коллективом авторов статьи был разработан прототип многоуровнего компактного аккумулятора теплоты - высокоэффективный компактный аккумулятор теплоты, предназначенный для отопления и горячего водоснабжения. Аккумулятор теплоты состоит из двух частей - верхней и нижней. В нижней находится теплоаккумулирующий материал (ТАМ), имеющий низкую температуру плавления и высокую скрытую теплоту фазового перехода (например, глауберова соль), а в верхней части находится ТАМ с более высокой температурой плавления, но как правило, более низкой теплотой фазового перехода. Нижняя низкотемпературная часть используется для хранения теплоты при низкой температуре 30 - 40 °С, которая позволяет осуществлять отопление теплыми полами и фанкой-лами, а верхняя высокотемпературная часть предназначена для хранения теплоты при температуре от 55 °С и выше для нужд горячего водоснабжения, в количестве, необходимом только для догрева предварительно нагретой в нижней
части воды. Широко доступные вещества с более высокой температурой плавления, как правило, имеют более низкую скрытую теплоту фазового перехода. В экспериментальном образце в нижней части использована глауберова соль, а в верхней - парафин. Теплоемкая глауберова соль обеспечивает больше половины всей необходимой энергии. Этим достигается существенное сокращение объемов аккумулятора. Таким образом, одновременно используется большая теплоемкость глауберовой соли и высокий температурный потенциал парафина.
На рисунке представлены графики заряда и разряда высокоэффективного компактного аккумулятора теплоты.
Схема утилизации теплоты и холода различными каскадами теплового насоса предполагается для реализации в одной общей многоуровневой схеме с многоуровневым аккумулятором скрытой теплоты, и несколькими теплона-сосными контурами (каскадами), имеющими различные рассолы в качестве рабочего тела и различные настройки, обеспечивающие максимальный СОР для того температурного потенциала, с которым они работают.
Таким образом, при реализации предлагаемой тепловой схемы с раздельным теплоснабжением потребителя, как по температуре, так и по мощности, за счет перетоков энергии обеспечивается максимально возможный коэффициент преобразования первичной энергии, что позволит данной системе стать экономически эффективней газового отопления.
t, °С
юс
тод.ГВС
Рис.
д, кВт* ч/кг
1. Графики заряда и разряда высокоэффективного компактного аккумулятора теплоты
Данный факт обеспечит широкое внедрение многоуровневых теплонасосных систем и, как следствие, снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.
Литература
1. Ефимов Н.Н., Папин В.В., Малышев П.А., Безуглов Р.В. Анализ использования тепловых насосов на тепловых и атомных электростанциях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 4.
2. Объедкова О.И., Кондратов И.С., Семиненко А.С. Эффективность применения тепловых насосов // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-1.
3. Шинкевич Т.О. Попкова О.С., Шинкевич О.П. Компрессионные тепловые насосы в системах отопления // Политематический сетевой электронный науч. журн. Кубанского гос. аграрного ун-та. 2011. № 68.
4. Иванов Б.А. Термодинамический анализ работы идеального теплового насоса // Вестн. междунар. академии холода. 2012. № 1.
5. Ефимов Н.Н., Папин В.В., Безуглов Р.В. Использование разности среднесезонных температур для автономного теплоснабжения, электроснабжения и кондиционирования // Науч.-техн. конф. и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями
ЮФО в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиком которых является Минобрнауки России : сб. материалов конф. г. Новочеркасск, 14-16 дек. 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т им. М.И. Платова. Новочеркасск: Лик, 2014. С. 20 - 24.
6. Безуглов Р.В. Компактный аккумулятор теплоты для нужд отопления и горячего водоснабжения потребителей // Материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова г. Новочеркасск, 2014.
7. Папин В.В., Безуглов Р.В., Малышев П.А., Мороз В.В., Католиченко Д.С., Харитонов П.Н. Высокоэффективный компактный аккумулятор теплоты. Патент РФ на полезную модель № 164694, заявка № 2015148388/06 от 10.11.2015 г., опубл. 10.09.2016, бюл. № 25
8. Моисеев Б.В., Антонова Е.О., Селезнёва М.А. Тепловые сети: учеб. пособие для студентов всех форм обучения по направлению 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника», Тюмень. РИО ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», 2015. 71 с.
9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: ИНФРА-М, 2003. 722 с.
10. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная физика: учеб. пособие для студентов втузов. М.: Наука, 2002. 432 с.
References
1. Efimov N.N., Papin V.V., Malyshev P.A., Bezuglov R.V. Analiz ispol'zovaniya teplovykh nasosov na teplovykh i atomnykh elektrostantsiyakh [Analys of the use of heat pumps in the thermal and nuclear power plants]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2010, no. 4. [In Russ.]
2. Ob"edkova O.I., Kondratov I.S., Seminenko A.S. Effektivnost' primeneniya teplovykh nasosov [Effectiveness of heat pump]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii, 2013, no. 8-1. [In Russ.]
3. Shinkevich T.O. Popkova O.S., Shinkevich O.P. Kompressionnye teplovye nasosy v sistemakh otopleniya [Compression heat pumps in heating systems]. Politematicheskii setevoi elektronnyi nauchnyi zhurnal kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2011, no. 68. [In Russ.]
4. Ivanov B.A. Termodinamicheskii analiz raboty ideal'nogo teplovogo nasosa [Thermodynamic analysis of an ideal heat pump]. Vestnik mezhdunarodnoi akademii kholoda, 2012, no. 1. [In Russ.]
5. Efimov N.N., Papin V.V., Bezuglov R.V. [Using the difference between the average seasonal temperatures for autonomous heating, electricity and air conditioning]. Nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya i vystavka innovatsionnykh proektov, vypol-nennykh vuzami i nauchnymi organizatsiyami YuFO v ramkakh uchastiya v realizatsii federal'nykh tselevykh programm i vne-programmnykh meropriyatii, zakazchikom kotorykh yavlyaetsya Minobrnauki Rossii: sb. materialov konf. [Scientific-technical conference and exhibition of innovative projects carried out by universities and research organizations in the framework of the Southern Federal District to participate in the implementation of federal target programs and extracurricular activities, which is a customer of the Russian Ministry: Sat. Materials Conf.]. Novocherkassk, Lik Publ., 2014, pp. 20 - 24. [In Russ.]
6. Bezuglov R.V. [Compact heat accumulator for heating and hot water supply of consumers]. Materialy XII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Sovremennye energeticheskie sistemy i kompleksy i upravlenie imi» [Proceedings of the XII International scientific-practical conference "Modern energy systems and facilities and management"]. Novocherkassk, YURGPU (NPI), 2014.
7. Papin V.V., Bezuglov R.V., Malyshev P.A., Moroz V.V., Katolichenko D.S., Kharitonov P.N. Vysokoeffektivnyi kompaktnyi akkumulyator teploty [Highly efficient compact heat accumulator]. Patent RF, no. 164694, 2016.
8. Moiseev B.V., Antonova E.O., Selezneva M.A. Teplovye seti [Thermal networks]. Tyumen, RIO FGBOU VPO «TyumGASU», 2015, 71 p.
9. Ruzavin G.I. Kontseptsii sovremennogo estestvoznaniya [Concepts of modern science]. Moscow, INFRA-M Publ., 2003, 722 p.
10. Savel'ev I.V. Kurs obshchei fiziki. T. 1. Mekhanika. Molekulyarnaya fizika [The course of general physics. V. 1. Mechanics. Molecular Physics: Proc. allowance for students of technical colleges]. Moscow, Nauka Publ., 2002, 432 p.
Поступила в редакцию 2 ноября 2016 г.
