CC BY
86
Вестник аграрной науки Дона
3(19)2012
евский. - Москва: Россельхозиздат, 1984. -383 с.
5. Кэмпбелл, Дж.Р. Производство молока / Дж.Р. Кэмпбелл, Р.Т. Маршалл. -Москва: Колос, 1980. - 670 с.
6. Иванов, П.Ф. Машинное доение коров / П.Ф. Иванов, М.С. Носов, И.М. Баранова. - Москва: Московский рабочий, 1974. - 104 с.
Сведения об авторах
Краснов Иван Николаевич - д-р техн. наук, профессор кафедры механизации и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8-928-137-98-08.
Назарова Елена Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры информационных технологий и управляющих систем Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)42-3-31; mob.: 8-951-490-94-27.
Information about the authors
Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the mechanization and production technology and processing of agricultural production department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Nazarova Yelena Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the technology information department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)42-3-31; mob.: 8-951-490-94-27.
УДК 621.577: 620.92
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОНАСОСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
© 2012 г. В.Я. Жарков
Показаны возможности тепловых насосов для повышения эффективности использования ветровой энергии.
Ключевые слова: энергия ветра, тепловые насосы, рабочее тело, цикл Карно.
Possibilities of thermo-compressors for increase of efficiency of use of wind energy are presented.
Key words: wind power, thermo-compressors, actuating fluid, Carno cycle.
Постановка проблемы. На отопление и горячее водоснабжение расходуется около трети топлива. Вместе с тем, американские ученые считают, что тратить высококачественную электрическую энергию на получение низкопотенциального тепла противоречит здравому смыслу. Низкопотенциальное тепло необходимо получать от возобновляемых и нетрадиционных ис-
точников энергии (ВНИЭ) - за счет энергии Солнца, ветра, биомассы и т.д.
В частности, для теплоснабжения фермерских и крестьянских хозяйств могут использоваться разработанные и запатентованные в Таврическом агротехнологическом университете (ТГАТУ) ветротепловые установки, непосредственно преобразующие энергию ветра в тепловую энергию [1, 2]. В связи с этим особое внимание
18
3(19)2012 Механизация и электрификация животноводства, растениеводства
привлекают тепловые насосы (ТН), которые за счет незначительного количества первичной энергии позволяют повысить потенциал низкотемпературных источников до требуемого уровня [3].
Анализ последних исследований. Первый тепловой насос разработал английский физик Уильям Томсон в 1852 году и назвал его умножителем тепла [3]. Тепловые насосы (повышающие термотрансформаторы) - это устройства, которые воспринимают теплоту окружающей среды для дальнейшей передачи ее телу с высокой температурой. Характерной чертой ТН является то, что он не производит тепло, а переносит его с низкого уровня на высокий. Итак, тепловой насос - это устройство, позволяющее передать теплоту от холодного тела к более нагретому, используя дополнительную энергию.
Примером носителей такой теплоты может служить нагретый воздух из систем вентиляции и кондиционирования, или теплые бытовые и промышленные сточные воды, имеющие температуру 20-40 °С. Поэтому важным является анализ различных конструкций ТН и нахождение оптимальных решений и областей применения [3].
Формулировка целей статьи. Целью работы является анализ и систематизация различных конструкций ТН для их сочетания с ветротепловыми установками, для повышения эффективности последних.
Главная сфера применения ТН - это нагрев теплоносителя для систем отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений.
По способу преобразования теплоты ТН подразделяют на парокомпрессионные, газокомпрессионые, сорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические. Часто ТН разделяют также по виду рабочего агента (фреоновые, аммиачные, воздушные и др.) и типу теплоносителей, которые отдают и принимают теплоту (воздух - воздух, вода - воздух, вода - вода и др.). Наибольшее распространение получили парокомпрессорные ТН, где в качестве рабочего агента используется фреон или его смесь [2, 3].
Принцип действия ТН базируется на реализации обратного термодинамического цикла [3]. В ТН рабочий агент осуществляет обратный термодинамический цикл, в результате которого обеспечиваются непрерывный отвод энергии от холодного источника и передача ее теплоносителю с более высокой температурой за счет подвода внешней энергии к компрессору.
Для оценки энергетической эффективности ТН используется коэффициент преобразования (КОП), представляющий собой отношение тепла, отдаваемого тепловому потребителю, к затраченной работе привода компрессора. Величина КОП зависит от разницы температуры источника и потребителя, степени обратимости цикла, термодинамических свойств рабочего тела и других факторов и на практике находится в пределах 1,5...6,0. Это означает, что на единицу затраченной электрической энергии потребителю передается в 1,5...6 раз больше тепловой энергии.
Источниками низкопотенциальной теплоты являются атмосферный воздух, вода естественных водоемов, почва, грунтовые воды, солнечная радиация, а также источники теплоты, возникшие в результате деятельности человека, то есть вторичные низкопотенциальные энергоресурсы (ВЭР) [2, 3].
ТН являются хорошими энергосберегающими устройствами: производимая ими экологически чистая энергия примерно в 1,5 раза дешевле энергии, получаемой от сжигания газа, в 3-4 раза дешевле электроэнергии, а срок службы ТН (они практически не требуют технического обслуживания, а лишь периодической профилактики) составляет 15-25 лет [2, 3]. Эти преимущества ТН получили надлежащую оценку в промышленно развитых странах мира, где в настоящее время количество тепловых насосов, находящихся в эксплуатации, превысило 30 млн. По прогнозам Мирового энергетического комитета, доля систем отопления с использованием ТН, которые являются наиболее распространенными в мировом теплоснабжении, к 2020 году возрастет до 75%.
19
Вестник аграрной науки Дона
3(19)2012
Опыт эксплуатации миллионов ТН в разных странах мира подтверждает, что на сегодняшний день они, без сомнения, являются альтернативой энергозатратным теплогенераторам, традиционно используемым в децентрализованных системах тепло- и холодоснабжения жилищно-коммунального сектора.
В США и Японии для отопления и кондиционирования воздуха широкое применение получили реверсивные ТН класса «воздух - воздух». В США ежегодно производится около 1 млн ТН, в Японии -около 3 млн ТН.
Самые мощные ТН эксплуатируются в Швеции и странах Скандинавии. В Швеции 50% всего отопления обеспечивают ТН. Из 110000 теплонасосных станций, которые работали в Швеции в 2000 году, около ста имели мощность 100 МВт и более, а наиболее мощный в мире ТН с установленной тепловой мощностью 320 МВт успешно работает в Стокгольме, используя в качестве низкотемпературного источника теплоту Балтийского моря при среднегодовой температуре 8 °С.
С 2001 года в Швейцарии в каждом третьем новом доме устанавливаются ТН. На каждые два квадратных километра территории Швейцарии приходится один ТН.
К сожалению, если в развитых странах счет работающих ТН ведется на мил-
лионы или сотни тысяч, то во всех странах СНГ, и в Украине и в России, в частности, работают единичные установки, созданные, в основном, на элементной базе холодильного оборудования, ввозимого из стран Западной Европы. Существует серьезное отставание в вопросах исследования и практического внедрения теплонасосной техники.
Теория ТН позволяет оценить ограничения их возможностей, поскольку эти ограничения накладываются не только техническими проблемами, но также и законами природы. Параметры, определяющие термодинамическое состояние, - температура, давление, удельный объем, энтальпия и энтропия [3].
В 1824 году Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН [3].
Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину (рис. 1). Тепловая машина 2 получает тепло QН от высокотемпературного источника ТН и сбрасывает его при низкой температуре Ть, отдавая полезную работу W. ТН требует затраты работы W для получения тепла QL при низкой температуре IL и отдачи его при высокой температуре ТН.
Рис. 1. Термодинамическая схема теплового насоса и теплового двигателя:
1 - тепловой насос; 2 - тепловой двигатель; Тн и Ть - высокая и низкая температура
Можно легко показать, что если обе ские процессы не содержат потерь тепла эти машины обратимы (термодинамиче- или работы), то существует конечный пре-
20
3(19)2012 Механизация и электрификация животноводства, растениеводства
дел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение QH/W, где QH - теплопроизводительность при высокой температуре, W - мощность привода [3]. Это отношение очень важно. В случае тепловой машины оно записывается в виде W/Q и называется термическим КПД, а для ТН оно остается в виде Q^W и называется коэффициентом преобразования (КОП). Его необходимо отличать от аналогичного отношения Ql/W, применяемого в холодильной технике и называемого в дальнейшем КОПохл. Поскольку Qн = W + QL, получается
КОПк = КОПохл + 1. (1)
Используя определение энтропии и законы термодинамики, можно показать, что КОП для цикла Карно имеет вид
КОПК =—^— +1 = —^—. (2)
К TH -Tl Th -Tl V '
Наиболее распространенными и технически совершенными сегодня являются ТН с механической компрессией рабочего тела (газ, пар, воздух) [2, 3].
С целью приближения к простому циклу Карно, а фактически это означает -с целью создания практически полезного ТН, необходимо стремиться к подводу тепла в условиях, близких к изотермическим. Для этого подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых величинах температуры и давления. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Обычно коэффициент преобразования ТН достигает в среднем значение 3 или чуть больше.
В ТГАТУ запатентована ветротеплонасосная энергоустановка [4], преобразующая энергию ветра в теплоту и способ работы ТН низкого давления [5].
Ветротеплонасосная энергоустановка (рис. 2) содержит ветродвигатель 1 с вращающимся валом 2, резервуар 3 с теплоаккумулирующей жидкостью 4, преобразователь энергии в виде ТН 5 с замкнутым циркуляционным контуром и с хладагентом, который содержит соединенные последовательно трубки 6, компрессор 7, связанный
кинематически с валом 2 ветродвигателя 1, конденсатор 8, помещенный в резервуар 3, регулирующий вентиль - дроссель 9 и испаритель 10, расположенный в теплообменнике 11 в земле на глубине ниже температуры его промерзания и, как вариант, на глубине залегания грунтовых вод.
Устройство работает следующим образом [4]. За счет энергии ветра вал 2 ветродвигателя 1 вращается и приводит в действие компрессор 7. В круговом цикле ТН
5 пары хладагента всасываются компрессором 7 и сжимаются до высокого давления. При сжатии их температура повышается до ТН. Пары хладагента при повышении давления по соединительным трубкам
6 поступают в конденсатор 8, находящийся в резервуаре 3 с теплоаккумулирующего жидкостью 4. В конденсаторе 8 пары высокого давления охлаждаются и конденсируются. При конденсации пара выделяется тепловая энергия Q^ которая воспринимается теплоаккумулирующей жидкостью 4. С конденсатора 8 жидкий хладагент по соединительным трубкам 6 через дроссель 9 поступает обратно в испаритель 10 и круговой цикл замыкается. В дросселе 9 давление хладагента понижается до давления в испарителе 10. Одновременно снижается его температура. Теплота испарения, необходимая для этого, отбирается через теплообменник 11 от низкопотенциального источника теплоты, так как испарение хладагента происходит при низкой температуре. В качестве низкопотенциального источника теплоты используется земля и, как вариант, - грунтовая вода.
Применение различных холодильных агентов определяет предельную температуру нагрева теплоносителя: для хладона R22 - это +45 °С, который в нашем случае является приемлемым рабочим телом.
Схема парокомпрессорного ТН, использующего пары низкокипящей жидкости, показана на рисунке 2. Газ (обычно это фреон, аммиак и др.) сжимается в компрессоре 1, идет в конденсатор 2, где отбирается тепло Q^ Рабочее тело превращается в жидкость. Последняя проходит через дроссель 3, где ее температура дополнительно
21
Вестник аграрной науки Дона
3(19)2012
снижается до TL. Образующийся влажный пар превращается в сухой в испарителе 4, где подводится тепло QL.
Недостатком известных способов работы ТН является использование в циркуляционном контуре фреонов или аммиака, которые из-за теплового загрязнения и разрушения озонового слоя Земли запрещены в соответствии с Киотским протоколом. Кроме того, существующие способы предусматривают принудительное сжатие вредоносного низкокипящие рабочего тела (фреонов или аммиака), что вызывает повышение требований ко всем элементам циркуляционного контура и, следовательно, увеличение материалоемкости и стоимости ТН.
В ТГАТУ запатентован способ работы ТН [5], который позволяет использовать в качестве рабочего тела экологически безопасные хладагенты с плюсовой температурой кипения при атмосферном давлении (Ткип > 273 K).
В качестве высококипящего вещества используют этанол (С2Н5ОН) или его водный раствор, а для изменения агрегатного состояния рабочего тела вместо его сжатия компрессором в конденсаторе осуществляют расширение в испарителе за счет его откачки [5].
Параметры этанола [6]:
критическая температура Ткр=516,1 К (243,1 °С);
критическое давление Ркр=63,9 Па;
температура кипения при атмосферном давлении (Р=0,1 МПа) Ткип= 351,3 К (78,3 °С);
удельная теплота испарения r = 840 кДж/кг;
теплоемкость газообразного этанола в диапазоне температур от 0 до 100 °С составляет Ср=1,34...1,69 кДж/кг.град.
Для работы ТН принимаем диапазон рабочих температур от небольшой минусовой (-2,3 °С) (в зависимости от температуры источника низкопотенциального тепла) до 48...64 °С (в зависимости от потребностей потребителя).
При снижении в испарителе давления до Р = 1,33 кПа температура кипения сни-
жается до Ткип = 270,4 К (-2,3 °С). При давлении пара в конденсаторе Р = 26,7 кПа этанол конденсирует при температуре (температура конденсации принимается равной температуре кипения) Ткип 224,6 К (48,4 °С). При давлении пара 53,4 кПа этанол конденсирует при Ткип 336,5 К (63,5 °С). Рабочий режим ТН подбирают индивидуально в зависимости от температуры ^ низкопотенциального источника и потребностей в температуре ТН потребителя высокопотенциального тепла. Слишком высокие температуры конденсации выбирать не следует, так как, по мере приближения температуры к критической (для этанола Ткр=516,1 К), скрытая теплота парообразования быстро уменьшается, теплоту отдает только перегретый пар, но при существенном уменьшении КОП [3].
Следует отметить, что метанол (СН3ОН) в качестве рабочего тела имеет показатели [6] не хуже этанола, но метанол ядовитый, поэтому использовать его (особенно в быту) не рекомендуется.
Таким образом, ТН 5 осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого потенциала (температурного уровня) TL на более высокий TH, необходимый потребителю.
Основным недостатком ТН является обратная зависимость его эффективности от разницы температур ДТ= TH —TL между потребителем (ТН) и источником теплоты (Тц).
Ниже приведена зависимость коэффициента преобразования КОП от подогрева рабочего тела ДТ при температуре на входе в конденсатор ТН = 330 K (57 °C) и П = 0,5 [7].
Технико-экономический анализ показывает [7], что применение ТН для подогрева воды для отопления целесообразно при КОП > 3 - 3,5. Это означает, что вода может быть подогрета в ТН не более чем на 40-50 °C.
Это накладывает определенные ограничения на использование систем типа «воздух - вода». Реальные значения эффективности современных ТН составляют порядка КОП = 2,0 при температуре
22
3(19)2012 Механизация и электрификация животноводства, растениеводства
Рис. 3. Принципиальная схема парокомпрессорного теплового насоса:
1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - дроссель; 4 - испаритель; 5 - приводной двигатель
23
Вестник аграрной науки Дона
3(19)2012
источника TL = -20 °C, и порядка
КОП = 4,0 при температуре источника TL = +7 °C. Это приводит к тому, что для обеспечения заданного температурного режима потребителя при низких темпера-
турах источника необходимо использовать оборудование со значительной избыточной мощностью, что сопряжено с нерациональным использованием капиталовложений.
Зависимость коэффициента преобразования от подогрева рабочего тела
ДТ,0С 10 20 30 40 50 60
КОП 16,5 8,5 5,5 4,2 3,3 2,75
Решением этой проблемы является применение так называемой бивалентной схемы отопления, при которой основную (базовую) нагрузку несет ТН, а пиковые нагрузки покрываются вспомогательным источником (газовый или электрокотел). Оптимальная мощность ТН составляет
60.. .70% от необходимой установленной мощности, что также влияет на закупочную стоимость установки отопления. В этом случае ТН обеспечивает не менее 95% потребности потребителя в тепловой энергии за весь отопительный сезон. При такой схеме среднесезонный коэффициент преобразования энергии для климатических условий Центральной Европы равен порядка 3.
Понятно, что системы, использующие геотермальный источник теплоты или теплоту грунтовых вод, свободны от этого недостатка. Следствием этого же недостатка является необходимость использования низкотемпературных систем отопления (системы поверхностного нагрева типа «теплый пол», воздушные системы отопления с применением фанкойлов и т.п.).
Выводы. Теплонасосные установки в
1.5.. .6.0 раз повышают эффективность использования ветротепловых установок. При этом ветродвигатель используется только в качестве привода ТН, который перекачивает низкопотенциальную теплоту, например, с земли к обогреваемому объекту.
Использование в качестве рабочего тела высококипящих веществ с положительной температурой кипения (Т>273К) при нормальном атмосферном давлении
делает ТН экологически чистым и озонобезопасным, приводит к созданию системы низкого давления и, следовательно, к уменьшению ее материалоемкости и упрощению эксплуатации.
Литература
1. Жарков, В.Я. Вiтротепловi установки з дисковими магштопроводами / В.Я. Жарков // Науковi пращ ДонНТУ.-Вип.16(142), серiя прничо-електромехашч-на. - Донецьк: ДонНТУ, 2008. - С. 106111.
2. Вйроенергетика та довкшля / Л.1. Грачова, Г.1. Груба, В.Т. Плакида, В.Я. Жарков; за ред. Л.1 Грачово!'. - Омфе-рополь: Таврiя, 2007. - 520 с.
3. Рей, Д. Тепловые насосы / Д. Рей, Д. Макмайкл; пер. с англ. - Москва: Энер-гоатомиздат, 1982. - 282 с.
4. Патент 64691 UA, МПК (2011.01) F03D7/06, F24J3/00, F25B29/00. Вггротеп-лонасосна енергоустановка / В.Я. Жарков. - Заявл. 18.05.2011; Опубл. 10.11.2011. -Бюл. № 21.
5. Патент 70630 UA, МПК (2012.01) F25B30/00. Спошб роботи теплового насоса / В.Я. Жарков. - Заявл. 18.10.2011; Опубл. 25.06.2012. - Бюл. № 12.
6. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - Москва: Наука, 1972. - 720 с.
7. Мальдонадо, В. Энергосберегающие технологии и альтернативная энергия: учеб. пособие / Вальехо Мальдонадо, Пабло Рамон. - Москва: РУДН, 2008. - 204 с.
24
3(19)2012 Механизация и электрификация животноводства, растениеводства
Сведения об авторе
Жарков Виктор Яковлевич - канд. техн. наук, доцент Таврического государственного агротехнологического университета (г. Мелитополь). Телефон (0619) 42-18-76; 093-46-511-94. E-mail [email protected].
Information about the author
Zharkov Victor Yakovlevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Taurian State Agrotechnological University (Melitopol). Phone: (0619)42-18-76; mob.: 093-46-511-94. E-mail [email protected].
УДК 62-932.4 62-405.6
ЭЛАСТИЧНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ КАК СРЕДСТВО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ
© 2012 г. К.А. Останин, М.В. Суханова
Рассмотрен принцип работы эластичного смесителя и представлены наиболее значимые результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: смеситель эластичный, смеси, процесс смешивания, интенсификация.
The principle of operation of the elastic mixer is considered and the most significant results of experimental researches are presented.
Key words: elastic mixer, mixes, mixing process, intensification.
Процесс приготовления кормов является одним из наиболее ответственных технологических процессов, влияющих на продуктивность животноводческой отрасли сельского хозяйства. Формирование кормовых смесей является неотъемлемой и важной составляющей этого процесса. Многочисленными исследованиями доказано, что использование комбикормов при кормлении животных гораздо эффективнее применения отдельных компонентов. Для повышения качества смешивания и экономичности работы смесительных установок необходимо создать равнозначные условия смешивания на каждом участке замкнутого цикла, а именно:
1) быструю подачу компонентов и их интенсивное перемешивание;
2) максимальный контакт перемешиваемой сыпучей массы с перемешиваемыми рабочими элементами смесителя;
3) обеспечение одинаковой кинетики для всех элементарных сыпучих тел;
4) примерно одинаковые размеры длины пути перемещения частиц за один оборот рабочего органа и толщины перемешиваемого слоя.
Перечисленные условия выполняются при использовании эластичного смесителя (рис. 1). Предлагаемая конструкция смесителя является новым, достаточно простым для реализации смесительным устройством.
Цилиндрическая оболочка круглого поперечного сечения закреплена в хомутах, совершающих вертикальное возвратнопоступательное движение посредством направляющих штоков, соединенных с кривошипом. При вращении кривошипа направляющие штоки, перемещаясь вертикально, приводят в возвратно-поступательное движение установленные на них хомуты. В хомутах закреплены стенки эластичной оболочки. Посредством движения хо-
25
