Оптимизация с-х энергетических установок - Эксергоэкономическая оптимизация теплонасосных систем

ЭКСЕРГОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ
Тепловой насос всегда имеет альтернативные системы энергоснабжения. По сравнению с традиционными источниками энергии тепловой насос по всем трем критериям сравнения (энергетика, экономика, экология) должен оказаться более выгодным вариантом.
На рис. 5.44 приведены принципиальные схемы пяти систем. Ниже анализируется эффективность их применения.
Эксергоэкономический анализ подразумевает использование и совместное решение двух моделей системы: термодинамической в терминах эксергии и экономической.
Основой анализа и оптимизации в эксергоэкономике есть совместное решение:
эксергетической эффективности
(5.75)

Рис. 5.44. Принципиальные схемы пяти вариантов систем
эксергоэкономического фактора

(5.76)

Таким образом, для теплонасосной и альтернативной ей систем дополнительно необходимо определить величины:
деструкцию эксергии Е , вызванную наличием Δ71 в процессе теплопередачи;
годовые суммарные затраты Z.
Будем считать, что потери эксергии Е\, вызванные наличием разности температур между поверхностью всех аппаратов и окружающей средой, на этом этапе анализа отсутствуют для всех систем, представленных на рис. 5.44.
Цена эксергии «топлива» CF для компрессора, а следовательно, и для всего теплового насоса — это цена на электроэнергию для альтернативных систем, т.е. цена на приводную энергию.
Рассмотрим схемное решение теплового насоса (рис. 5.45). Конденсатор и испаритель — кожухотрубные теплообменные аппараты, компрессор — поршневой.
Разность температур нетто является неизменной величиной и характеризует входные данные (техническое задание) на анализ и проектирование теплового насоса. Разность температур брутто является функцией от выбранного температурного напора в теплообменных аппаратах. Разница нетто— брутто — это величина, определяющая действительное значение эффективности теплового насоса, капитальные и эксплуатационные затраты на тепловой насос и с точки зрения эксергоэкономики характеризует сумму деструкции эксергии в конденсаторе и испарителе.

Рис. 5.45. Схема теплового насоса
Термодинамическая модель систем:

Таблица 5.9. Величины для расчетов по уравнению (5.78)

Экономическая характеристика системы (характеристика а в уравнении (5.78)):

Значения технических показателей параметров элементов теплового насоса, использующего воду в качестве рабочего вещества, и солнечного коллектора к нему (характеристика х в уравнении (5.78)):
Солнечный коллектор площадь теплообменной поверхности 21 206 м²
Компрессор эффективная мощность 587 кВт
Конденсатор площадь теплообменной поверхности 129,2 м²
Испаритель площадь теплообменной поверхности 102,9 м²
Бойлер массовый расход жидкого топлива 4050 кг/ч
Концентратор теплопроизводительность 3000 кВт
Полный анализ всех систем, представленных на рис. 5.44, дан в табл. 5.10 как обобщение термодинамической и экономической моделей.
Таблица 5.10. Результаты предварительного проектирования систем, изображенных на рис. 5.44

Анализируя полученные результаты, констатируем, что на этапе предварительного проектирования эффективность теплового насоса ненамного превышает эффективность системы 2, использующей жидкое топливо. Различие в общей стоимости системы в 3,6 % является незначительным и входит в диапазон так называемой 4-процентной погрешности, допустимой ГОСТ на проведение технических расчетов. Таким образом, делаем вывод, что единственной альтернативой тепловому насосу может быть бойлер на жидком топливе.
Для будущего потребителя идея использования бойлера на жидком топливе является традиционной и хорошо изученной по опыту эксплуатации. Существенный недостаток такой системы — отсутствие системы магистралей доставки топлива к потребителю. Следовательно, существует необходимость создания системы хранения жидкого топлива с проведением обязательных мероприятий по технике безопасности вообще и особенно пожарной безопасности. Понятно, что эти затраты должны быть включены как дополнительные капитальные затраты и затраты на обслуживание. Естественно, что суммарные затраты (система 2 + хранение жидкого топлива) значительно превысят 3,6 %, следовательно, тепловой насос окажется эффективнее.
По уравнению (5.76) определим эксергоэкономический фактор для каждой из систем и проведем сравнение по этому показателю (табл. 5.11).
Таблица 5.11. Эксергоэкономический фактор

По результатам эксергоэкономического анализа получаем, что система 1 имеет наименьшее значение фактора /. Системы 2 и 3 незначительно отличаются одна от другой, система 4 примерно в 3,5 раза эффективнее систем 2 и 3. Система 5 — теплонасосная оптимальна, так как ее эффективность в 12...15 раз превышает эффективность систем, рассматриваемых как альтернативы ей.
На основании эксергоэкономического анализа делаем вывод, что при принятой термодинамический и экономической моделях систем 1-5, система тепловой насос + солнечный коллектор оказывается эффективнее других.
Проведем эксергоэкономический анализ теплового насоса. Задачей теплового насоса является получение теплоты высокого потенциала, следовательно, цена на эту теплоту должна быть конкурентоспособной с ценами на тот же полезный эффект, но произведенный в других системах. Таким образом, поток рабочего вещества на выходе из конденсатора может иметь нулевую стоимость эксергии, как и эксергия солнечного излучения, входящего в солнечный коллектор.
Исходя из двух вариантов эксергоэкономических зависимостей для расчета увеличения стоимости эксергии потока при прохождении через элемент системы
(5.79) определим стоимость эксергии рабочего вещества при осуществлении им кругового термодинамического процесса. Для начала проведем эксергетический анализ теплонасосной системы. В первом приближении можно использовать диаграмму е—h для воды как рабочего вещества.
На основании данных табл. 5.12 и по стоимости энергетических потоков в элементах теплового насоса определим сто имость деструкции эксергии в его элементах (табл. 5.13).
Таблица 5.12. Распределение деструкции эксергии в элементах теплонасосной системы

Таблица 5.13. Стоимость деструкции эксергии в элементах теплового насоса

При этом будем исходить из тарифов на электроносители по экономической модели.
Эксергетическая стоимость энергетических потоков, Евро/ кВт, вводимых в элементы теплового насоса (система 5) и выводимых из них:
Солнечный коллектор     0,000
Испаритель  0,0164
Компрессор  0,0348
Конденсатор (продукт системы) 0,033
Дроссель      По цене конденсатора
Суммируя все полученные результаты, строим потоковую эксергоэкономическую схему теплонасосной системы (рис. 5.46).

Рис. 5.46. Потоковая эксергоэкономическая схема теплонасосной системы