Глава 5 ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ
Обозначения:
а — относительный объем; вершина графа;
В — безразмерный множитель;
с — удельная теплоемкость;
С — стоимость;
CF — цена эксергии на расход электроэнергии;
D — диаметр цилиндра;
е — эмпирический коэффициент;
Е — граф;
f — площадь индикаторной диаграммы;
F — площадь;
G — массовый расход;
h — удельная энтальпия;
I — интенсивность фазовых превращений;
J — поток;
k — показатель адиабаты;
К — капиталовложения;
I, L — работа;
т — показатель политропы; масса;
пкр — число молекул в капле критического размера;
N — мощность; число молекул в единице объема;
р — давление;
П — потери эксергии;
s — удельная энтропия;
S — энтропия; ход поршня; площадь поверхности шара;
Т — температура;
и — компонент скорости; дуга графа;
и — компонент скорости; удельный объем;
V — объем;
q — удельная теплота;
Q — теплота;
Z — затраты; отношение тепловой энергии к электрической; W — электрическая мощность; отношение водяных эквивалентов;
ε — эксергия;
φ — коэффициент преобразования теплового насоса;
ψ — коэффициент преобразования теплоты;
ξ — массовая концентрация аммиака;
η — коэффициент полезного действия;
Θ — относительный перепад температур;
λ — коэффициент потери; коэффициент подачи компрессора;
р — плотность;
σ — тензор напряжений;
τ — время.
Критерий подобия
Fo — Фурье.
Индексы·.
ад — адиабатный; г — гидравлический; год — годовые; гор — горячий; гр — греющий; д — дефлектора; е — эксергетический; ж — жидкости; из — изотермический; ис — испарителя; к — конечный; конденсации; ком — компрессора; К, кон — конденсатора; м — механический; мертвого пространства; н — начальный; | об — оборотный; общий; п — поршня; |
нас — насыщенный;
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В последние годы все большее внимание уделяется генераторам энергии индивидуального пользования, различным теплонасосным установкам [1-3]. Применение термотрансформаторов позволяет наиболее рационально удовлетворить возрастающие потребности в теплоте или холоде за счет имеющихся в распоряжении различных источников теплоты и электроэнергии. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 70 % коммунального и производственного теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз в значительной степени реализован. В Японии, например, ежегодно продается 3 млн. тепловых насосов, в США — 1 млн. [4]. Швейцарской Национальной программой энергосбережения предусматривается увеличить производство теплоты тепловыми насосами до 2250 ГВт-ч, т.е. втрое выше существующего уровня на три ближайших года [5].
Россия существенно отстает в этой области энергетики. Так, общая тепловая мощность всех теплонасосных установок в России, по данным Ю.М. Петина, составляет около 52 МВт. Данные об использовании тепловых насосов в системах теплоснабжения приведены в табл. 5.1.
Создание локальных систем электротеплохладоснабжения, работающих от имеющихся в данной местности топливных и тепловых ресурсов, является важной задачей малой энергетики. Для определения энергетической эффективности использования исходной энергии топлива и влияния каждого вида отопления на экологию Комиссией по тепловым насосам Европейского Экономического Сообщества (ЕЭС) в 1991 г. был проведен анализ систем отопления, распространенных в Европе [6]. Результаты этого анализа приведены в табл. 5.2.
Дадим краткие сведения термодинамики трансформаторов теплоты.
Таблица 5.1. Использование тепловых насосов для теплоснабжения объектов в России
Источник низкопотенциальной теплоты, его температура | Местонахождение и характеристика объекта теплоснабжения | Количество тепловых насосов, их суммарная тепловая мощность | Стоимость теплоты, % от стоимости теплоты котельных в данном регионе | Срок окупаемости (лет) и фактическое время эксплуатации |
Питьевая вода, 7...9 С | Г, Тюмень, Велижановский водозабор, отопление поселка и производства | Два ТН-3000 с винтовым компрессором, 4500 кВт | 51...53 | 1,9 |
Питьевая вода, 24 °C | Г. Карасук, ср. школа на 1200 учащихся, 6000 м2 (отопление) | Два ТН-300 (поршневые компрессоры), 0,7 МВт | 38 ...40 | 1,1 10,0 |
Грунтовые воды, 7...9 °C | Г. Горно-Алтайск, здание ЦСУ, -1500 м2 | Один ТН-300, 270 кВт | 50 | 1,6 |
Питьевая вода, 2...9 °C | Г. Елизово, водозабор УВКХ, отопление пром, зоны и горячее водоснабжение | Один ТН-300, 300 кВт | 58 ...60 | 1,8 |
Грунтовые воды, 6...8 С | Пос. Термальный, Елизовский р-н Камчатской обл., Рыборазводный завод, 3000 м2 (отопление) | Два ТН-300, 600 кВт | 60 ...65 | 1,8 |
Питьевая вода, 23 °C | Пос. Мирный, подсобное хозяйство, жилые дома и производственные помещения (отопление) Алтайский край | Три ТН-300, 900 кВт | 35...40 | 1,2 |
Техническая вода оборотной системы водоснабжения | ОАО «Казцинк», г. Усть- Каменогорск, отопление | Один ТН-3000, 3,1 МВт | 50 ...60 | 1,8 |
Таблица 5.2. Показатели систем отопления по данным ЕЭС
Система отопления | Энергетическая эффективность начальной энергии, % | Выброс СО,, кг/кВт |
Электрическое отопление | 35 | 0,55 |
Котел на жидком топливе и отопление горячей водой | 80 | 0,29 |
Газовый котел и отопление горячей водой | 80 | 0,21 |
Газовый котел (конденсационный) и отопление горячей водой | 95 | 0,19 |
Система электротеплохладоснабжения | 100 | 0,1 |
Тепловой насос с электрическим приводом | 110 | 0,22...0,14 |
Абсорбционный тепловой насос | 130 | 0,17 |
Тепловой насос с приводом от газового двигателя | 150 | 0,12 |
Затратив д1 теплоты при температуре Т , можно получить q2 теплоты при температуре Т9, обладающей той же работоспособностью. При этом, если Т., меньше Т , то q2 больше, чем и наоборот. Сказанное записывается так:
(5.1)
где коэффициент пропорциональности ψ называется теоретическим коэффициентом преобразования теплоты от температуры Τ' к температуре Т„.
Устройство, осуществляющее прямой и обратный циклы передачи теплоты от источника с одной температурой к источнику с другой температурой, называют термотрансформатором.
Рис. 5.1. Схема понижающего термотрансформатора
Рис. 5.2. Схема повышающего термотрансформатора
(5.2)
Рис. 5.3. Принципиальная схема компрессионного теплового насоса
Схема понижающего термотрансформатора приведена на рис. 5.1. В этой схеме работа, производимая двигателем I, затрачивается на привод холодной машины II, для которой тепло-отдатчиком служит окружающая среда, а теп- лоприемником — источник с температурой Т . Используя работу I, холодильная машина отбирает от окружающей среды теплоту q0 и отдает источнику с температурой Т2 теплоту q"2.
Машина, в которой осуществляется обратный цикл и которая поглощает теплоту из окружающей среды для того, чтобы передать ее телу с более высокой температурой, называется тепловым насосом (рис. 5.2).
Эффективность действия теплового насоса оценивается отношением называемым коэффициентом преобразования теплового насоса.
Заметим, что коэффициент теплового насоса φ имеет тот же смысл, что и коэффициент преобразования теплоты ψ.
Тепловые насосы подразделяют на три вида: компрессионные, сорбционные и термоэлектрические.
Принципиальная схема компрессионного теплового насоса приведена на рис. 5.3. В испарителе 6 холодильный агент испаряется за счет теплоты, подведенной из окружающей среды, а затем поступает в компрессор 1. При испарении хладагент отбирает количество теплоты д9. После сжатия в компрессоре хладагент подается в змеевик конденсатора 4. Змеевик омывается водой, циркулирующей через обогреваемый объект (к примеру, в системе отопления помещения). Теплопри- емнику 3, таким образом, отдается кроме теплоты q2, по сути даровой, также теплота, эквивалентная затраченной работе компрессора I . Затем конденсат через дроссельный клапан 5 поступает в змеевик испарителя 6.
Эффективность теплового насоса равна отношению количества теплоты qr = q2 + /ц, сообщенной нагреваемому объекту, к затраченной работе
(5.3)
где εχ — холодильный коэффициент.
Принцип работы сорбционных тепловых насосов основан на последовательном осуществлении термохимических процессов поглощения (сорбции) рабочего агента (отдача теплоты) соответствующим сорбентом, а затем выделения (десорбции) рабочего агента (поглощение теплоты) из сорбента. Сорбционные установки подразделяются на абсорбционные (объемное поглощение) и адсорбционные (поверхностное поглощение).
Термоэлектрические тепловые насосы основаны на эффекте Пельтье, связанном с выделением и поглощением теплоты в спаях материалов при прохождении через них электрического тока.
В работе [7] приведен термодинамический анализ традиционных и теплонасосных систем теплоснабжения. При этом рассматриваются следующие варианты теплоснабжения: выработка электроэнергии и прямой электрообогрев (ЭО); выработка электроэнергии и отпуск теплоты острым паром (ОК); совместная выработка электроэнергии и теплоты (КО); выработка электроэнергии и теплоснабжение с помощью теплового насоса (TH); совместная выработка электроэнергии и теплоснабжение от теплового насоса (Т). При сопоставлении этих вариантов систем теплоснабжения наряду с термоэкономическими показателями [8] учитываются также факторы внеэкономического характера: экономические и социальные.
Результаты исследования показывают, что энергетическое сопоставление позволяет определять преимущество одного варианта перед другим в том случае, если для сравниваемых вариантов используется один и тот же источник первичной энергии. В противном случае выигрыш не всегда соответствует выигрышу в затратах на эти источники — различия в стоимости единицы первичной энергии. Поэтому сопоставление вариантов следует основывать на концепции термоэкономики [8].
В анализируемой работе схемы сопоставляются по затрате высокопотенциальной теплоты Qp которая рассматривается как первичная энергия, необходимая для производства определенного количества электроэнергии W и теплоты среднего потенциала Q. В соответствии с такой постановкой задачи в схемах с раздельной выработкой теплоты и электроэнергии, затраты высокопотенциальной теплоты Q, определяются как сумма
Термодинамические схемы комплексного производства теплоты и электроэнергии приведены на рис. 5.4.
Затраты теплоты Q± в каждой схеме определяются в соответствии с зависимостями, приведенными в табл. 5.3.
Целью анализируемого исследования является определение рационального применения теплонасосного теплоснабжения.
Рис. 5.4. Термодинамические схемы комплексного производства теплоты и электроэнергии
Таблица 5.3. Затраты высокопотенциальной теплоты
В этой таблице η“ — термический КПД «конденсационного» цикла; η'— термический КПД «теплового» цикла; φ — коэффициент преобразования теплового насоса.
Схема с тепловым насосом по затрате высокопотенциальной теплоты экономичнее прямого электрообогрева (схемы ЭО и ОК). Однако с повышением температуры Т нижнего источника экономия от применения теплового насоса понижается.
При сопоставлении теплонасосного теплоснабжения с ТЭЦ следует иметь в виду, что экономия высокопотенциальной теплоты, отнесенная к 1 кДж произведенной теплоты, будет изменяться в зависимости от соотношения между электрической и тепловой нагрузками.
Обозначим отношение между тепловой Q и электрической W нагрузками через Ζ = Q/W. Для схем КП и Т значение Ζ ограничивается пределами
, а для схемы
