CC BY
321 i P r rtO» 1—>-r ««-О U"0 ->V ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
THERMODYNAMIC ANALYSIS IN RENEWABLE ENERGY
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ EXERGETIC ANALYSIS OF BASIC ENERGY GENERATION PROCESSES
Статья поступила в редакцию 25.05.12. Ред. рег. № 1344 The article has entered in publishing office 25.05.12. Ed. reg. No. 1344
УДК 621.483
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АБСОРБЦИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И ИХ СРАВНЕНИЕ С ПАРОКОМПРЕССИОННЫМИ ТЕПЛОВЫМИ НАСОСАМИ
С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
И.Ю. Долгов
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01; E-mail: [email protected], [email protected]
Заключение совета рецензентов: 10.06.12 Заключение совета экспертов: 20.06.12 Принято к публикации: 03.07.12
Выполнен термодинамический анализ абсорбционных тепловых насосов, представлен простой расчет их эксергетиче-ских характеристик и показателей экономии первичных энергоносителей, произведено сравнение их характеристик с па-рокомпрессионными тепловыми насосами с электроприводом, определены условия наиболее эффективного применения.
Ключевые слова: абсорбционный тепловой насос, абсорбер, испаритель, конденсатор, компрессор, парокомпрессионный, паросиловой контур, коэффициент преобразования, энергия, эксергия, эксергетический коэффициент полезного действия, хладагент-рабочее тело, энтропия, энтальпия.
THERMODYNAMIC ANALYSIS, ENERGY AND EXERGETIC CHARACTERISTICS OF ABSORBTION HEAT PUMPS AND THEIR COMPARISON WITH A VAPOR COMPRESSION HEAT PUMPS WITH ELECTRIC DRIVE
I.Yu. Dolgov
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, l-st Veshnyakovski pas., Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-19-20, fax: (499) 170-51-01; E-mail: [email protected], [email protected]
Referred: 10.06.12 Expertise: 20.06.12 Accepted: 03.07.12
A thermodynamic analysis of absorbtion heat pump, a simple calculation of exergetic characteristics of indicators of primary energy carriers, a comparison of their characteristic with vapor compression heat pumps with electric drive is defined, conditions of the most effective application are identified.
Keywords : absorbtion heat pumps (HP), absorber, evaporator, condenser, compressor, vapor compression, steam-power circuit, the coefficient of conversion, energy, exergy, exergy efficiency, coolant - working body, entropy, enthalpy.
Абсорбционные тепловые насосы (АБТН) строятся на основе абсорбционных холодильных машин (АБХМ). Первая АБХМ создана в 1859 г. во Франции Фердинандом Карре и запатентована им в 1860 г. [1]. АБТН являются вторыми по распространенности после парокомпрессионных тепловых насосов с электроприводом (ПКТН) [2].
АБТН работают на основе свойств бинарных (двойных) смесей, состоящих из компонентов, резко
отличающихся температурами кипения при одном и том же давлении. Бинарная смесь является рабочим телом паросилового контура таких ТН. Компонент, кипящий при низкой температуре, является холодильным агентом. Компонент со значительно более высокой температурой кипения, предназначенный для поглощения (абсорбции) холодильного агента, является абсорбентом. Наиболее часто в качестве рабочего тела АБТН и АБХМ используются смеси
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
аммиака (хладагент) и воды (абсорбент) - водно-аммиачные АБТН или воды (хладагент) и водного раствора соли бромистого лития (абсорбент) - бро-мисто-литиевые АБТН [2]. Рабочее тело АБТН имеет два важнейших свойства: первое - паровая и жидкая фазы рабочего тела, находящиеся при одинаковом давлении, имеют различные температуры, зависящие от их концентрации, второе - способность абсорбента поглощать пары хладагента, имеющие значительно более низкую температуру, чем его температура. Эти свойства рабочего тела дают возможность осуществить теплонасосный цикл путем периодического изменения концентрации растворов хладагента и
абсорбента [3]. Схема паросилового контура идеального АБТН, изображение его рабочего цикла на Т-£ (температура - энтропия) диаграмме, а также схема паросилового контура реального АБТН типа "WLW" производства фирмы ROBUR (Италия) с подводом к нему и отводом от него трансформированной теплоты жидкими теплоносителями (класс «рассол-вода») представлены на рисунке [4, 5]. АБТН позволяет трансформировать для отопления и горячего водоснабжения с помощью рассола теплоту грунта земли, солнечного коллектора и т.п., аналогично ПКТН и тепловым насосам других видов [4].
Схема паросилового контура: а - схема паросилового контура; b - изображение рабочего цикла идеального АБТН; c - схема паросилового контура реального АБТН типа "WLW" ROBUR, Италия: И - испаритель; К - конденсатор; А - абсорбер; Г - генератор; ТО - теплообменник; РК - ректификатор; Н - насос; В - вентиль раствора; РВ - дроссельный вентиль; Х, П - соответственно, источник и приемник трансформированной теплоты; Т, К - температура в градусах Кельвина Diagram of a steam power circuit: a - the scheme of steam power contours; b - the image of the operating cycle of coolant of ideal absorbtion HP; c - the scheme of steam power contours of a real absorption HP in the ABHP 'WLW' "brine-water" 35 kW pro ROBUR in Italy : И - evaporator; K - condenser; A - absorber; Г - generator; TO - heat exchanger; PK - rectifier; H - pump; B - valve of solution; PB - throttle valve; X, П - are respectively the source and receiver of transformed heat; T,
K - temperature in Kelvin degrees
Принцип работы идеального АБТН рассматривается при следующих идеальных условиях:
- бесконечно большая кратность циркуляции рабочего тела;
- изэнтропное (без отвода теплоты) расширение хладагента абсорбента;
- полная ректификация - получение абсорбента без давления его пара;
- идеальное рабочее тело АБТН - отсутствие удельной теплоты пара и жидкости вдоль пограничной кривой Т-£, независимость теплоты испарения и теплоты растворения от температуры;
- равенство температур конденсации и абсорбции.
Температура в градусах Кельвина Т, К связана с
температурой в градусах Цельсия ^ °С соотношением: Т, К = ^ °С + 273.
При этом работа идеального АБТН состоит в следующем (рисунок, а). За счет подвода теплоты низкопотенциального источника на вход АБТН Швх с температурой Твх происходит кипение хладагента в испарителе И при давлении Ро. Пары хладагента поступают в абсорбер А, где абсорбируются слабым раствором хладагента в абсорбенте. Процесс абсорбции сопровождается выделением тепла Ша, которое подается при температуре Та = Тк = Твых на выход АБТН из теплообменника абсорбера. Образовавшийся в абсорбере крепкий раствор насосом Н подается в генератор Г с давлением Рк, равным давлению в конденсаторе К. В генераторе происходит выпаривание хладагента и подача его в конденсатор К. Получающийся при этом обедненный раствор возвращается из генератора Г в абсорбер А через регулирующий вентиль раствора В, в котором давление Рк снижается до давления Ро испарителя И и абсорбера А. Таким образом, в АБТН осуществляется циркуляция раствора рабочего тела между абсорбером и генератором. Одновременно с этой циркуляцией происходит также циркуляция хладагента с конденсацией его в конденсаторе К с выделением теплоты Шк при температуре Тк, затем хладагент через дросселирующий регулирующий вентиль РВ с понижением давления от Рк до Ро подается в испаритель И, замыкая термодинамический цикл. Описанные процессы иллюстрируются на Т-£ диаграмме рисунка, Ь следующим образом: 5-6 - кипение хладагента в испарителе; 5-8 - дросселирование хладагента вентилем РВ; 7-8 -конденсация хладагента в конденсаторе К; 1-2 - выпаривание хладагента в генераторе Г; 3-4 - абсорбция хладагента в абсорбере А; 4-1 - перепад давлений в насосе раствора Н; 2-7 - подача хладагента в конденсатор К; 6-3 - подача хладагента из испарителя И в абсорбер А. При принятых допущениях имеет место соотношение [4]:
вг = ва = вк = ви (1)
Из Т-8 диаграммы соотношение между температурами Тг, Тк = Та = ТВЫх, Ти = ТВх и коэффициент пре-
образования идеального АБТН представляются в виде [4]:
Тг = ТКТИ /(2ТИ - Тк); (2)
К = ш /ш = (Ш + ш )/ш =
-^п ид гг вых^г пр.т г'к гг а/' гг пр.т
= (вк + ва)/вг = 2. (3)
Таким образом, коэффициент преобразования идеального одноступенчатого АБТН равен 2 при любых режимах его работы.
В паросиловой контур реального АБТН (рис., с) для повышения экономичности работы цикла (уменьшения теплоты генератора вг) вводится регенеративный теплообменник ТО, а для повышения концентрации паров хладагента между генератором и конденсатором вводится ректификатор РК.
В целом работа реального АБТН аналогична описанной работе идеального АБТН с определенными отклонениями от указанных идеальных условий. Коэффициент преобразования реального АБТН с учетом незначительного расхождения величин Ти и Твх соответственно с Тк и Твых (в градусах Кельвина), определяется в виде [4]
К = Швых/Шпр.т = К,(1/Ти - 1/Тг)/(1/Ти-1/Тк) =
= Ке(1/Твх - 1/Тг)/(1/Твх - 1/Твых), (4)
где Ке = Кп/Кп ид - коэффициент термодинамического совершенства АБТН (эксергетический КПД). Для крупных ТН Ке = 0,70, для малых Ке = 0,5-0,6, величина Тг связанная с Ти и Тк соотношением (2), для современных рабочих тел АБТН не превышает 180 °С, из этих трех температур произвольно могут выбираться две [4].
С учетом диапазонов изменения величин = = -20 °С - +25 °С, 4ых = +30 - +60 °С на основании (4) значения Кп АБТН могут изменяться в диапазоне 1,0-1,64. Характеристики зависимости тепловой мощности (теплопроизводительности) ввых и коэффициента преобразования Кп (теплоиспользования Сп) от температур Твх на входе и Твых на выходе этого АБТН с подводом и отводом трансформированной теплоты жидкими теплоносителями при нагреве его генератора магистральным природным газом представлены в табл. 1 с использованием данных [5]. В табл. 2 представлены аналогичные характеристики этого АБТН при трансформации теплоты наружного воздуха [5].
Величина эксергетического КПД АБТН: Ке = = Кп/Кп ид = Кп/2 принимает значения в диапазоне от 0,5 до 0,81. Сравнение величин Ке ПКТН и АБТН при одинаковых температурных режимах работы: Твых, Твх, То, представленных в табл. 3 с использованием данных [6-7], показывает, что АБТН являются термодинамически более совершенными, чем ПКТН. В табл. 3 представлены также величины коэффициентов преобразования Кп ПКТН и АБТН. Следует отметить недопустимость сопоставления величин коэффициентов преобразования АБТН и ПКТН, так как у последних они определяются отношением величины тепловой энергии к электро-
2g International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2G12
энергии, потребленной электроприводом компрессора, т.е. отношением величин энергий, имеющих различную физическую сущность, и, следовательно, единица измерения коэффициента преобразования ТН с электроприводом (как, впрочем и всего обширного класса электротермических, электронагревательных установок) должна быть относительной: тепло/электро, сокращенно т/э. У ТН с тепловым приводом (АБТН) величина коэффициента преобразования определяется отношением энергии одинаковой физической сущности - теплоты и поэтому может измеряться в безразмерных единицах. Эффективность АБТН и ПКТН оценивается также по коэффициенту использования первичных энергоносителей Киэ, определяемого отношением тепловой энергии на выходе теплового насоса (ТН) к энергии
Таблица 1
Энергетические и эксергетические характеристики АБТН типа «WLW» «Рассол-вода» мощностью 35 кВт
Table 1
Energetic and exergetic characteristic of АБТН "WLW" "brine-water", capacity 35 kW
первичного энергоносителя, использованной для осуществления процесса трансформации низкотемпературной теплоты, характеризующего системный энергосберегающий эффект [8]:
Киэ ^вых/^пэ.пр (^вых/^пр)( ^пр/^пэ.пр) KпKпр.э, (5)
где ^вых - тепловая энергия на выходе ТН, отданная потребителю теплоты; ^пэпр - энергия первичного энергоносителя, израсходованная на процесс трансформации низкотемпературной теплоты; - энергия, потребленная ТН на процесс трансформации низкотемпературной теплоты (потребленная тепловым или электроприводом ТН); Кпрэ - коэффициент преобразования энергии первичного энергоносителя в энергию привода ТН.
Температура на входе АБТН t ОС** (At = 5 °С) Тепловая мощность, 2вых, кВт, коэффициент преобразования Кп* и эксергетический КПД Ке
Температура на выходе АБТН 4ых, °С (At = 10 °С)
30 40 50 60
QbblX Кп (Ке) 0вых Кп (Ке) 0вых Кп (Ке) 0вых Кп (Ке)
-2 38,2 1,53(0,76) 37,3 1,48(0,74) 34,5 1,37(0,68) 31,8 1,26(0,63)
0 38,9 1,54(0,77) 38,0 1,50(0,75) 35,0 1,39(0,69) 32,8 1,30(0,65)
5 39,2 1,55(0,77) 38,6 1,53(0,76) 36,2 1,44(0,77) 34,1 1,35(0,67)
10 39,0 1,55(0,77) 37,6 1,49(0,74) 36,0 1,43(0,71)
12
15 39,2 38,4 1,52(0,76) 37,3 1,48(0,72)
'Потребляемая электрическая мощность = 0,54 кВт.э **При ГВх = -2 °С At = 3 °С.
Таблица 2
Энергетические и эксергетические характеристики АБТН типа «А» «Воздух-вода» мощностью 36,2 кВт
Table 2
Energetic and exergetic characteristic of АБТН "A" "air-water", capacity 36,2 kW
Температура наружного воздуха на входе АБТН t °С Тепловая мощность, Qвых, кВт, коэффициент преобразования Кп* и эксергетический КПД Ке
Температура на выходе АБТН ^ых, °С
30 45 50 60
0вых Кп (Ке) 0вых Кп (Ке) 0вых Кп (Ке) 0вых Кп (Ке)
-20 29,2 1,16(0,58) 26,6 1,06(0,53) 25,5 1,01(0,50) 25,1 1,00(0,50)
-15 29,9 1,19(0,59) 27,4 1,09(0,54) 26,4 1,05(0,52) 25,9 1,03(0,51)
-10 32,6 1,30(0,65) 30,0 1,19(0,59) 28,1 1,12(0,56) 27,2 1,08(0,54)
-7 34,3 1,36(0,68) 31,7 1,26(0,63) 29,3 1,16(0,58) 28,2 1,12(0,56)
2 37,2 1,48(0,74) 35,8 1,42(0,72) 33,4 1,33(0,66) 31,0 1,23(0,61)
7 38,8 1,54(0,77) 38,3 1,52(0,76) 36,2 1,44(0,77) 33,8 1,34(0,67)
10 39,5 1,57(0,78) 39,4 1,56(0,78) 37,5 1,49(0,74) 35,2 1,40(0,70)
15 40,0 1,59(0,79) 40,0 1,59(0,79) 38,8 1,54(0,77) 36,2 1,44(0,72)
20 40,5 1,61(0,80) 40,5 1,61(0,80) 39,2 1,56(0,78) 37,3 1,48(0,74)
25 40,8 1,62(0,81) 40,8 1,62(0,81) 39,5 1,57(0,78) 37,5 1,49(0,74)
'Потребляемая электрическая мощность N = 0,9 кВт.э
Таблица 3
Сравнительные характеристики абсорбционных и парокомпрессионных тепловых насосов с электроприводом
Table 3
Comparative characteristics of the absorption and vaporcompression heat pumps with electric drive
Температурный режим, °C ПКТН АБТН
tBX ^вых to К т/э Jvn пктн 11 J Ke пктн Киэ пктн Кп абтн Сп Ке абтн Киэ абтн
-5 60 -20 2,4 0,58 0,77 1,20 0,60 1,14
0 60 0 2,7 0,49 0,86 1,30 0,65 1,23
5 60 5 3,0 0,49 0,96 1,35 0,67 1,28
15 60 15 3,5 0.47 1,12 1,48 0,74 1,40
-5 45 -20 3,0 0,61 0,96 1,41 0,70 1,34
0 45 0 3,6 0,51 1,15 1,45 0,72 1,37
10 45 0 4,4 0,62 1,41 1,52 0,76 1,44
15 45 15 4,9 0,46 1,57 1,53 0,76 1,45
5 35 -20 5,1 0,5 1,63 1,54 0,77 1,46
10 35 0 5,7 0,64 1,82 1,55 0,77 1,47
15 35 15 6,3 0,41 2,02 1,55 0,77 1,47
Основными первичными энергоносителями для ТН с тепловым приводом - АБТН, других ТН являются газ, жидкое или твердое топливо [4].
Электроэнергия, являющаяся в целом продуктом переработки первичных энергоносителей, является вторичным энергоносителем и используется в ТН с электроприводом - ПКТН, а также в термоэлектрических ТН. Коэффициенты преобразования первичных энергоносителей - газа и жидкого топлива - в теплоту привода ТН в их газовых или жидкотоплив-ных топках Кпрэт имеют величины порядка 0,9-0,98 (последнее относится к топкам, использующим теплоту конденсации паров сжигаемого газа) [4, 6]. Таким образом, в целом для ТН с тепловым приводом Кпрэт не ниже 0,9.
Величины условного (с учетом различных видов электростанций) коэффициента преобразования первичных энергоносителей в электроэнергетических системах Кпрээ не превышают 0,32 э/т [2]. Относительная единица э/т - Электро/Тепло учитывает различную физическую сущность: теплоты первичных энергоносителей, используемых для выработки электроэнергии и собственно электроэнергии как продукта этой выфаботки на тепловых электростанциях с учетом потерь при ее передаче в электросетях.
Величины коэффициентов использования первичных энергоносителей Киэ, рассчитанные в соответствии с соотношением (5) для Кпрээ = 0,32 и для среднего значения Кпр.э.т = 0,95, также представлены в табл. 3.
Как следует из табл. 3, для АБТН Киэ могут принимать значения в диапазоне от 1,14 до 1,47, а для ПКТН - от 0,77 до 2,02. Для наибольших температур
на выходе ТН (системы отопления с жидким теплоносителем при 4ых = 60 °С, с трансформацией теплоты грунта земли или утилизацией теплоты воздуха вытяжной вентиляции или техногенных отходов при 4х = -5-+15 °С) наиболее эффективное использование первичных энергоносителей осуществляется в АБТН. При невысоких температурах на выходе ТН (воздушные системы отопления и кондиционирования или утилизации теплоты воздуха вытяжной вентиляции или техногенных отходов при 4ых = 35 °С, 4х = 5-15 °С) наиболее эффективное использование первичных энергоносителей осуществляется в ПКТН. Жирным шрифтом в табл. 3 показаны значения коэффициентов использования первичных энергоносителей АБТН и ПКТН, определяющие области их целесообразного использования по критерию обеспечения наибольшей экономии первичных энергоносителей. Следует отметить, что расчет потребителей энергии (объектов теплоснабжения) от ТН осуществляется по показаниям приборов учета электроэнергии, газа и т. п., поэтому критерий обеспечения минимума потребления первичных энергоносителей, являющийся важным с позиций общегосударственной энергетической политики, не может считаться определяющим для хозяйствующих субъектов, эксплуатирующих ТН, особенно использующим для теплоснабжения электроэнергию. Для этих субъектов критерием выбора ТН или какого-либо другого теплогенератора является минимум эксплуатационных затрат (в том числе и на энергоносители), а также возможность обеспечения в требуемых для указанных видов ТН объемов электроэнергии или газа и их тарифов.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Важным показателем, определяющим эффективность применения АБТН, является отношение потребленной ими электроэнергии к экономии энергии первичного энергоносителя, достигаемой в результате применения АБТН для теплоснабжения объекта теплопотребления по сравнению с традиционными теплогенераторами. Чем меньше это отношение, умноженное на отношение тарифа на электроэнергию к тарифу на первичный энергоноситель, тем большая часть экономии первичного энергоносителя обеспечивает компенсацию затрат, связанных с применением АБТН вместо традиционных теплогенераторов. Так, при сравнении АБТН и котлов, работающих на наиболее дешевом энергоносителе - магистральном газе, указанные отношения представляются в виде
= (Гэ/д Гпэ)(Цэ/ц,) =
{ ^э/[( Гвых/Кк гк) - ( ^вых/К абтн)] }Цэ/Ц =
= {(ГЖых)/[(1/К гк) - (1/Кп абтн)] }Цэ/Цг, (6)
где ГЖых - отношение электроэнергии, потребляемой АБТН, к тепловой энергии, отданной АБТН потребителю теплоты, согласно данным [5, 9], для АБТН тепловой мощностью от 100 до 11000 кВт.т, трансформирующих низкотемпературную теплоту воды, ГЖых = 0,0014-0,0042, для АБТН тепловой мощностью 30-40 кВт.т, трансформирующих низкотемпературную теплоту воды ^э/^вых = 0,013-0,018, а трансформирующих теплоту наружного воздуха (с учетом электропотребления воздушных вентиляторов) ^э/^вых = 0,022-0,030. К„ гк - коэффициент преобразования первичного энергоносителя - магистрального газа в теплоту ^вых, отдаваемую потребителю газовым котлом. Для вышепринятого среднего значения газовых котлов К гк = 0,95. Кп абтн = Сп -коэффициент преобразования (теплоиспользования) АБТН. Из табл. 1 и 2 для АБТН, трансформирующих тепло грунтовой воды: 4х = 10 °С, 4ых = 60 °С, Кп абтн = 1,43. Для АБТН, трансформирующих теплоту окружающего воздуха при средней за отопительный период в центральном регионе России температуре воздуха -3,1 °С [10], т.е. при 4х = -3,1 °С, /вых = 60 °С, Кп абтн = 1,17; Цэ, Цг - стоимость 1 кВт-ч, соответственно, электроэнергии и газового топлива, согласно данным [11], тариф на электроэнергию составляет 3,0 руб./кВт-ч, тариф на газ (в пересчете теплотворной способности магистрального природного газа 1 м3 в кВт-ч) 0,3 руб./кВт-ч.
Значение с учетом указанных значений величин, входящих в формулу (6), для АБТН тепловой мощностью от 100 до 11000 кВт.т, трансформирующих теплоту грунтовой воды, и для АБТН тепловой мощностью 30-40 кВт.т, трансформирующих теплоту грунта земли или воздуха, определяются, соответственно, в виде
абта «вода-вода» = {(0,0014---0,0042)/(1/0,95 - 1/1,43)}х х(3,0/0,30) = [(0,0014—0,0042)/0,35]х10 = 0,04---0,12;
(7)
абтн «возд., рассол-вода»
={(0,0013—0,03)/[1/0,95-1/(1,43—1,17)]}(3,0/0,30) =
= [(0,013—0,03)/(0,35—0,19)]х10 = 0,37---1,57. (8)
Из соотношения (7) следует, что у АБТН «рассол-вода» большой мощности (100 кВт и больше) стоимость потребленной электроэнергии в 1/0,12 - 1/0,04 = 8,33—25 раз меньше сэкономленной стоимости магистрального газа, что подтверждает их высокую эффективность. Из соотношения (8) следует, что у АБТН средней и малой мощности (30-40 кВт.т), несмотря на малую величину электроэнергии, потребляемой по сравнению с энергией газа, ее стоимость от стоимости сэкономленного первичного энергоносителя - магистрального газа составляет от 37% - у АБТН «рассол-вода» (с наибольшими коэффициентами преобразования) до 157% - у АБТН «воздух-вода» с наименьшими коэффициентами преобразования, и, следовательно, применение последних в климатических условиях центрального региона России нецелесообразно. При использовании АБТН «воздух-вода» для трансформации теплоты воздуха вытяжной вентиляции, имеющего, как правило, температуры 5-15 °С, величины Кп абтн, как следует из табл. 2, достигают значений 1,4-1,44, а значения 2^ = 0,9-1,0, т.е. стоимость сэкономленного магистрального газа равна стоимости потребленной электроэнергии.
Повысить эффективность применения АБТН малой и средней тепловой мощности (30-40 кВт) возможно при собственной выработке электроэнергии в электрогенераторах с приводом от газовых двигателей или в случае применения их в системах энергоснабжения объектов, где осуществляется собственная выработка электроэнергии в когенерационных теплоэлектростанциях - КТЭС на базе электрогенераторов с приводом от газовых двигателей внутреннего сгорания с утилизацией отработанной теплоты их прямого цикла также для теплоснабжения этих объектов. В таком процессе выработки теплоты и электроэнергии 34% первичного энергоносителя -газа преобразуется в электроэнергию, 56% - в тепловую энергию при потерях 10% [6]. Для указанных величин Жэ = (0,013-0,03)^вых применение этих газовых электрогенераторов позволяет получить 2К = 0 при повышении потребления газа на величину Гэ/0,34 = (0,038-0,088)Гвых и, следовательно, при понижении коэффициента преобразования системы АБТН - электрогенератор Кп абтн-эг, определяемого соотношением
Кп абта-эг/Кп абтн = [^вых + (0,038---0,088) Гвых-0,56]/ /[^пр.т + (0,038---0,088)Гвых]Кп абтн =
= [1 + (0,021—0,050)]/[1 + (0,038—0,088)Кп абтн] = = (1,021—1,05)/[1 + (0,038—0,088)Кп абтн]. (9)
Для рассматриваемых температурных диапазонов работы АБТН их коэффициент преобразования (теп-лоиспользования) Кп абтн принимает значения от 1,17 до 1,44, при этом величина отношения Кп абтн-эг/Кп абтн в соответствии с (9) изменяется в пределах:
Кп абтн-тг' Кп абтн
= (1,021—1,05)/[1+(0,038—0,088)(1,17—1,44)] =
= 0,97—0,93. (10)
Из соотношения (10) следует, что применение газовых электрогенераторов для обеспечения электропотребления АБТН «рассол-вода», ввиду малости потребления газа, практически не сказывается на уменьшении коэффициента преобразования АБТН и на 7% уменьшает его у АБТН «воздух-вода» (с учетом энергоснабжения привода электровентиляторов) но обеспечивает = 0, при этом собственная выфа-ботка электроэнергии для электроснабжения АБТН позволяет реализовать независимость его работы от электросети.
Как указывалось, коэффициент преобразования энергии газа в топках газовых конденсационных котлов составляет К„ = 0,98, у современных огневых котлов на других видах топлива К„ > 0,85 [6, 12], т.е. такие котлы имеют эффективность использования первичных энергоносителей, превышающую Киэ ПКТН при температурах 4х = -5 °С - +5 °С и 4ых > 6090 °С, недоступных для рассмотренных одноступенчатых ПКТН и АБТН при 4ых > 75 °С и 4х < -10 °С.
Отсутствие силовых механических элементов вращения (компрессора), высокая надежность, способность работать при температурах до -20 °С с Кп = = Сп = 1, свойства энергосбережения первичных энергоносителей до 30-40% при температурах трансформируемой теплоты выше 5 °С и температурах теплоты, отдаваемой потребителю, не выше 60 °С, способность работать с теплотой привода от огневой топки на любом виде топлива (в том числе твердом), на отработанной теплоте многих технологических процессов, в том числе при выработке электроэнергии, являются основой для широкого применения АБТН в вышеуказанных диапазонах температур на их выходе и температур низкотемпературных источников трансформируемой теплоты [2, 9], если использование применяемых первичных энергоносителей доступно и экономически целесообразно.
Выводы
1. Сопоставление величин коэффициентов преобразования АБТН и ПКТН недопустимо, т.к. у ПКТН, в отличие от АБТН, они определяются отношением величин энергий, имеющих различную физическую сущность: теплоты, отдаваемой потребителю на выходе, к электроэнергии, потребляемой электроприводом.
2. Единица измерения коэффициентов преобразования ТН с электроприводом (как, впрочем, и всего обширного класса электротермических, электронагревательных установок) должна быть «теп-ло/электро», сокращенно т/э. У ТН с тепловым приводом (АБТН и др.) величины коэффициентов преобразования определяются отношением энергий
одинаковой физической сущности - теплоты на выходе к теплоте, потребляемой приводом, и поэтому могут измеряться в безразмерных единицах.
3. Термодинамическая эффективность АБТН, определяемая эксергетическим КПД Ке абтн превышает термодинамическую эффективность ПКТН, у которых Ке пктн примерно в 1,2-1,4 раза меньше, чем у АБТН.
4. При возможности осуществления теплоснабжения объектов с температурами теплоносителей 4560 °С при температурах низкотемпературных источников трансформируемой теплоты от -5 °С до +15 ° С наиболее целесообразно применение АБТН, которые могут обеспечить экономию первичного энергоносителя - природного газа в диапазоне, соответственно, от 1,14 до 1,44 раза, если использование этого энергоносителя доступно и экономически целесообразно.
5. При возможности осуществления теплоснабжения объектов с температурами теплоносителей не выше 35 °С при температурах низкотемпературных источников трансформируемой теплоты от +5 °С до + 15 °С наиболее целесообразным является применение ПКТН с электроприводом, которые могут обеспечить экономию первичного (условного) энергоносителя, соответственно, от 1,67 до 2,02 раза, если использование электроэнергии для привода ПКТН доступно и экономически целесообразно.
6. Экономическая эффективность применения АБТН с тепловой мощностью до 100 кВт.т существенно зависит от отношения потребленной электроэнергии к теплоте на выходе ТН, умноженного, соответственно, на отношение тарифа на электроэнергию к тарифу на первичный энергоноситель, используемый для теплопривода АБТН. Улучшить экономическую эффективность таких АБТН возможно применением для их электроснабжения автономных электрогенераторов, работающих с использованием указанного первичного энергоносителя, при этом обеспечивается работа АБТН, не зависящая от электросети.
7. Целесообразность применения ТН для теплоснабжения объектов существенно зависит от наличия приемлемых по цене и энергозатратам систем подвода к ним низкотемпературной (трансформируемой) теплоты.
При этом наиболее предпочтительными по цене и энергозатратам являются низкотемпературные источники - воздух вытяжной вентиляции и техногенные источники «сбросной теплоты» с температурами не ниже + 5 °С.
8. При требуемой температуре теплоносителей для теплоснабжения объектов, превышающей 60 °С, и температурах низкотемпературных источников теплоты ниже -5 °С наиболее целесообразным является применение газовых котлов, если использование газового топлива является доступным и экономически целесообразным.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Список литературы
1. Шилкин Н.В. Абсорбционные холодильные машины // АВОК. 2008. № 1. http: // www.abok.ru/.
2. Попов А.В. Анализ эффективности различных типов тепловых насосов // Проблемы энергосбережения. 2005. №1-2. http://www.teplosibmash.ru/.
3. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. М.: Высшая школа, 1985.
4. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплона-сосные установки для отопления и горячего водоснабжения / Пер. с немецкого Н.Л. Кораблевой и Е.Ш. Фельдмана / Под редакцией канд. техн. наук Б.К. Явнеля. М.: Стройиздат, 1985.
5. Газовые реверсивные абсорбционные тепловые насосы для отопления и кондиционирования фирмы ROBUR, Италия. http://www.aironline.ru/.
6. Тепловые насосы Vitokal. Когенерационные энергоустановки Vitobloc 200. Газовые и электрические котлы и водонагреватели. Техническая информация фирмы VIESSMANN, ФРГ. http://www.viessmann.ru/.
7. Долгов И.Ю. Термодинамический анализ, энергетические и эксергетические характеристики паро-компрессионных тепловых насосов с электроприводом и пути их улучшения // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 12. С. 14-20.
8. Елистратов С.Л. Комплексное исследование эффективности тепловых насосов, автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Институт теплофизики им. С. С. Ку-тателадзе СО РАН, Новосибирск, 2010 г.
9. Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы. Продукция ОКБ Теплосибмаш. http: // www.teplosibmash .ru/.
10. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
11. http:// www.newtarriffs.ru.
12. Твердотопливные котлы Stropuva. http:// www/mk-termo.ru/catalog/.
