CC BY
19Раздел 6.
ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ И ВОДООТВЕДЕНИЕ, ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 697. 329
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С
ТЕПЛЫМ ПОЛОМ
Бондарь И.А., Денисова А.Е.
Одесский национальный политехнический университет
Предложена система теплоснабжения, которая обеспечивает эффективное использование теплонасосной установки с источником тепла грунтовых вод. Предложена методика расчета теплонасосной установки на базе геотермального теплоснабжения. Получены расчетные значения показателей степени сжатия фреона в компрессоре пк, электрической мощности электропривода Мпр и коэффициента преобразования тепла ф систем теплоснабжения с нагревательными приборами -радиаторами и «теплым полом» от температуры наружного воздуха. В работе рассмотрена перспективная принципиальная схема теплонасосных установок с регенеративным теплообменником (РТ) и охладителем конденсата (ОК), в которой реализуется обратный цикл Ренкина.
Фреон, теплонасосная установка, низкопотенциальный источник тепла, высокопотенциальный источник тепла, энергетическая эффективность, теплый пол
Введение
Одним из основних направлений совершенствования теплоснабжающих систем является тенденция перехода на низкотемпературные системы отопления на основе применения теплонасосных установок ТНУ. Это значительно расширит ресурсную базу систем теплоснабжения, делающее их менее зависимыми от поставок углеводородных видов топлива, таких как газ, нефть и уголь, что бесспорно важно в условиях нынешнего их дефицита запаса и растущей стоимости. Кроме того, преимущество применения ТНУ в системах теплоснабжения заключается в значительной экономии затрат топлива для выработки электроэнергии, чем при использовании котлов, а также способствует улучшению экологической обстановки в населенных пунктах, так как сжигание углеводородного топлива в городских котельных заменяется производством электроэнергии за пределами населенных пунктов. Поэтому применение ТНУ является одним из альтернативных методов энергообеспечения и позволяет использовать неограниченные ресурсы источника тепла низкого температурного потенциала, что не представляет ценностей для прямого их использования.
Цель исследований
Исследование энергетической эффективности рассмотренной схемы ТНУ с использованием экологически безопасного фреона Ю52а для систем теплоснабжения, низкопотенциальным источником тепла для которых является грунтовая вода, с нагревательными приборами - радиаторами и «теплым полом для полного покрытия тепловой нагрузки на отопление при температуре наружного воздуха ^ = - 16.. .8 °С.
Методика исследований В работе рассмотрена перспективная принципиальная схема ТНУ с регенеративным теплообменником РТ и охладителем конденсата ОК (рис. 1), в которой реализуется обратный цикл Ренкина. При постоянном давлении Р0 и температуре То в испарителе и осуществляется кипение фреона за счет подвода теплоты от низкопотенциального источника тепла (процесс 7-1). Насыщенный пар фреона при давлении Р0 перегревается
(процесс 1-2) в регенеративном теплообменнике РТ обратным потоком жидкого хладагента, поступающего с охладителя конденсата ОК. Перегретый пар с температурой Т2 поступает в компрессор КМ, в котором производится его сжатие (процесс 2-3) до конечного давления Рк с повышением температуры до Т3. Перегретый пар (точка 3) поступает в конденсатор К, где сначала происходит его охлаждение (процесс 3-4*) из состояния, перегретого пара до состояния насыщения (точка 4), а затем конденсация (процесс 4*-4) при постоянном давлении Рк и температуре Тк, в результате чего происходит подвод теплоты высокопотенциальному источнику тепла. Из конденсатора К конденсат фреона поступает в охладитель конденсата ОК, где производится отвод тепла теплоносителю Г (на нужды ГВС) внешнего теплоприемника (процесс 4-5) с понижением температуры до Т5. Дальнейшее охлаждение фреона до температуры Т6 производится в РТ обратным потоком пара, поступающим из испарителя И в компрессор КМ. Цикл завершается процессом дросселирования (процесс 6-7) жидкого фреона в дроссельном устройстве ДР от давления Рк до давления в испарителе Р0 с понижением его температуры от Гб до температуры То в процессе изоэнтальпийного расширения.
С > А." /V л / -л'-. • ///'
а у Т...1
Рис. 1. Принципиальная схема ТНУ с регенеративным теплообменником РТ и
охладителем конденсата ОК
Для анализа энергетической эффективности применения рассматриваемой схемы ТНУ воспользуемся методикой [1, 2], реализованной с помощью программы CoolPack в р, //-диаграмме (рис. 2).
Рис. 2. Цикл ТНУ на базе грунтовой энергии для систем теплоснабжения с напольным отоплением при ¿0 = - 6 °С
Температура насыщенного пара фреона на выходе из испарителя
Т0 = Т2 - ДТи , (1)
где Тй - температура низкопотенциального источника тепла, К;
ДТи - перепад температур на выходе из испарителя, К. Температура конденсации фреона
Тк = 7^2 + ДТк, (2)
где ТуЛ - температура высокопотенциального источника тепла на выходе из конденсатора, К;
ДТк - перепад температур на выходе из конденсатора, К. Температура перегретого пара фреона на входе в компрессор
т2 = То, + в(Тк - То), (3)
где в - температурный коэффициент регенерации тепла в РТ. Степень сжатия фреона в компрессоре
Р = рк Р (4)
где Рк, Р0 - давления конденсации и испарения при температурах Тк и Т0 . Индикаторный КПД поршневого неохлаждаемого компрессора
Ч = /1д = (Аз. -¿2)^3 -Иг) = О ■1, (5)
где /ад, /д - удельная адиабатная и действительная работы сжатия, кДж/кг;
А3., А3, А2- энтальпии фреона после при адиабатном сжатии, при реальном сжатии
и перед компрессором соответственно, кДж/кг;
0 - коэффициент полноты индикаторной диаграммы;
1 - коэффициент подачи компрессора.
Коэффициент подачи компрессора
1 = 1 ■ 1 ■ 1 , (6) с w пл 5 \ у
где 1 - объемный коэффициент, учитывающий влияние вредного пространства;
1,- коэффициент подогрева, учитывающий снижение объемной производительности
компрессора из-за подогрева пара и испарения жидкости; 1пл- коэффициент плотности,
учитывающий снижение производительности компрессора. Объемный коэффициент
1 = 7 - с ■ ((рк )1/т - 1), (7)
где с - коэффициент вредного пространства компрессора; т - показатель политропы. Коэффициент подогрева
1 = Т2/Т (8)
w 2 к \ /
Энтальпия фреона при реальном сжатии на выходе из компрессора
¿3 = ¿2 + (/ад/Ч ) = ¿2 + (¿3. - ¿2 )/ч , кДж/кг (9)
Энтальпия фреона на выходе из охладителя конденсата
¿5 = ¿6 + (¿2 - й1), кДж/кг (10)
Энтальпия фреона на выходе из регенеративного теплообменника
Н6 = к8 + (й2 - й1), кДж/кг (11)
Удельная внутренняя работа компрессора
I = й3 - Н2, кДж/кг (12)
Удельная теплопроизводительность конденсатора
дк = к3 - ¿4, кДж/кг (13)
где кА - энтальпия фреона на выходе из конденсатора, кДж/кг. Удельная тепловая нагрузка охладителя конденсата
?ок = к4 - КДж/Кг
Массовый расход фреона
О = О /а , кг/с
рт ^тн ^тн '
где Отн - тепловая нагрузка ТНУ, кВт;
атн - удельная тепловая нагрузка ТНУ, кДж/кг Удельная тепловая нагрузка ТНУ
атн = ак + 4ок, кДж/кг Теплопроизводительность конденсатора
О = О • а , кВт к рт к
Тепловая нагрузка охладителя конденсатора
О =О • а ,кВт
ок рт ок
Электрическая мощность электропривода
Ж = I • О /л , кВт
пр д рт 'эл.м 5
(14)
(15)
(16)
(17)
(18) (19)
где лэлм - электромеханический КПД компрессора Коэффициент преобразования ТНУ
Ф = (Оок + Ок )/Жпр (20)
Для расчета энергетической эффективности рассматриваемой схемы ТНУ (рис. 1) были приняты следующие исходные данные:
- температура низкопотенциального источника тепла на входе в испаритель ТНУ
тл = 5 °С;
- температура низкопотенциального источника тепла на выходе из испарителя ТНУ
Тл = 2 °С;
- перепады температур на выходе из теплообменников ДТи = 3К, ДТк =5 К
- электромеханический КПД компрессора лэлм = 0,95.
В зависимости от температуры наружного воздуха ^ = - 16...8 °С температуры высокопотенциального источника тепла на входе в систему отопления Гто2 имеют различные значения в зависимости от исполнения внутридомовой системы теплоснабжения здания (табл. 1) [2]. В свою очередь изменение температуры наружного воздуха также характеризует изменение нагрузки на отопление (в качестве примера 5-ти этажное здание на 60 квартир) [3], т.е. тепловой нагрузки ТНУ 0тн, кВт.
Таблица 1
Температура наружного воздуха к, °С Температура теплоносителя на входе в СО Т^, °С
Радиаторы Теплый пол
-16 77 53
-11 70 49
-6 63 44
-1 55 39
4 45 35
8 40 31
Для анализа энергетической эффективности применения рассматриваемой схемы ТНУ с внутридомовой системой отопления с отопительными приборами - радиаторами и с напольным отоплением при прочих равных условиях были получены следующие величины (табл. 2, рис. 3). В качестве холодильного агента был использован экологически безопасный фреон Ю52а, который целесообразно применять для повышения эффективности ТНУ за счет его теплофизических свойств.
Таблица 2
Показатели энергетической эффективности ТНУ_
к, °С л к N , кВт пр ' Ф
радиаторы теплый пол радиаторы теплый пол радиаторы теплый пол
-16 9,544 5,583 142,9 107,1 3,512 4,688
-11 8,225 5,067 128,1 98,0 3,771 4,928
-6 7,045 4,473 110,7 84,1 4,075 5,364
-1 5,856 3,934 87,6 68,1 4,577 5,890
4 4,599 3,539 62,6 51,3 5,338 6,506
8 4,037 3,175 46,6 38,2 5,861 7,143
Ф
6.0 5.О 4,0
1.0 -\-\-\-\-\-\-\-\-1
-И -6 'I -/ 8 кч ---1
Рис. 3. Зависимость коэффициента преобразования теплоты ф от температуры наружного воздуха 1 - отопительные приборы - радиаторы; 2 - теплый пол
Анализ результатов расчета.
Анализ показателей (табл. 1) демонстрирует, что при понижении температуры окружающей среды требования по температуре к теплоносителю, подаваемому в систему отопления для обеспечения комфортных температурных условий в помещениях, повышаются. В результате этого, разность температур между низкопотенциальным источником тепла грунтовых вод и высокопотенциальным источником тепла системы теплоснабжения увеличивается. Таким образом, при понижении температуры наружного воздуха степень сжатия фреона пк в компрессоре растет, что влечет за собой увеличение необходимой мощности Мпр привода компрессора для полного сжатия фреона до давления конденсации рабочего тела Рк. Поэтому для повышения эффективности работы ТНУ необходимо стремиться к уменьшению разности температур между низкопотенциальным источником тепла и высокопотенциальным источником, о чем свидетельствует коэффициент преобразования теплоты ф (рис. 3). Для достижения этой цели и повышения энергообеспечения возможен переход от традиционной внутридомовой системы отопления с использованием в качестве отопительных приборов радиаторов к напольной системе отопления за счет меньшей температуры высокопотенциального источника тепла для достижения комфортных температурных режимов в помещениях. Это связано с тем, что нагревательным элементом напольного отопления является вся поверхность пола и теплоотдача при этом происходит с обширной поверхности с относительно менее низкой температурой.
Выводы
Таким образом, для достижения повышения энергетической эффективности ТНУ необходимо стремиться к уменьшению разности температур между низкопотенциальным источником тепла и высокопотенциальным. Так использование напольного отопления при прочих равных условиях по сравнению с радиаторным для рассмотренной схемы ТНУ в
среднем эффективнее на 21 %, о чем свидетельствует коэффициент трансформации тепла ф.
Список литературы
1. Елистратов С. Л. Комплексное исследование эффективности тепловых насосов: дис. на соискание ученой степени д-р техн. наук / Елистратов С. Л. - 2010. - 383 с.
2. Трубаев П.А. Тепловые насосы: учеб. пособ. / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. -Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - 142 с.
3. Справочник по наладке и эксплуатации водяных тепловых сетей / [Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э. и др.] - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1982. -215 с.
УДК 621.181: 66.096.5: 502.33
КИПЯЩИЙ СЛОЙ КАК ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО СЖИГАНИЯ СЕРНИСТОГО ТОПЛИВА
Воинов А.П., Шевчук В.И.
Одесский национальный политехнический университет
Огнетехнические установки для сжигания сернистого топлива ответственны за выброс оксидов серы Б0у = Б02 + Б03, высокотоксичных по отношению к природной среде, прежде всего - живой природе. Существенное уменьшение выброса этих веществ является одной из важнейших задач проблемы снижения техногенной нагрузки природной среды.
Предложен ряд приемов снижения выброса Б0у указанными объектами, в том числе котельными установками. Надежно апробированным приемом является связывание Б0у введенной в топочную камеру твердой присадкой в виде мелкодисперсных частиц природных материалов, содержащих СаО или М§0, - известняка, мела, магнезита. Взвешенные в топочной среде частицы присадки реагируют с Б0у с образованием частиц практически безвредного гипса, удаляемых вместе с твердыми очаговыми остатками.
Оксиды серы, слоевая топка, камерная топка, вихревая топка, кипящий слой, степень турбулентности
Введение
Доступная эффективность реализации этого приема связывания Б0у в топке зависит от действия ряда факторов, прежде всего, следующих:
- тип топки (слоевая, камерная, вихревая, кипящего слоя),
- концентрация частиц присадки в топочной среде,
- удельная поверхность (дисперсность) частиц присадки,
- степень равномерности распределения частиц присадки по сечению топочной камеры,
- уровень температуры топочной среды,
- степень турбулентности газового потока в зоне протекания реакции горения и реакции связывания Б0у,
- длительность взаимодействия частиц присадки и топочной среды.
Анализ публикаций
Известен отечественный и зарубежный положительный опыт промышленного применения рассматриваемого приема. В частности, известно его использование в Германии и Франции, в котельных установках при сжигании в камерных топках мазута, содержащего до 4,4 % серы, импортированного из бывшего Союза. Целью использования указанного топлива является получение из его золы германия и ванадия. Побочным продуктом является товарный гипс. В экологическом отношении топочный процесс организован надлежащим образом.
