Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование существующих способов автономной децентрализованной генерации, распредления, потребления тепла и элекроэнергии в области малой нетрадиционной энергетики 10
1.1 Аналитический обзор информационных источников в области автономных энергетических комплексов 10
1.2 Исследование существующих способов автономной децентрализованной генерации тепла и электроэнергии, анализ эффективности существующих решений
1.2.1 Традиционные решения автономного энергоснабжения 18
1.2.2 Зарубежные решения автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии 19
1.2.3 Российские решения автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии 20
1.2.4 Определение категории разрабатываемого энергокомплекса 23
1.3 Постановка задачи 24
Выводы по главе 1 24
Глава 2. Разработка кошдшции микроэнергокомплекса 26
2.1 Выбор и обоснование направления исследований 26
2.1.1. Перспективы использования ВИЭ в МЭК для Российской Федерации..26
2.1.2 Использование энергии низкопотенциальных источников тепла 27
2.1.3 Использование механической энергии сред 31
2.1.4 Использование энергии солнца 32
2.2 Разработка концепции микроэнергокомплекса 35
2.3 Сравнение предлагаемого микроэнергокомплекса с современными когенерационными установками 41
Выводы по главе 2 49
ГЛАВА 3. Разработка тепловой схемы микроэнергокомплекса электрической мощностью 5 квт на базе солнечного коллектора, влажно-паровой турбины и теплового насоса ... 50
3.1 Разработка системы пароприготовления 50
3.1.1 Разработка принципиальной схемы системы пароприготовления МЭК .51
3.1.2 Повышение эффективности работы системы пароприготовления 54
3.1.3 Разработка конструкции парогенератора-сухопарника 58
3.1.4 Составление развернутой тепловой схемы системы пароприготовления
3.2 Паросиловая часть микроэнергокомплекса 62
3.3 Разработка системы охлаждения конденсатора паровой турбины
3.3.1 Разработка принципиальной схемы охлаждения конденсатора паровой турбины 64
3.3.2 Отопительные приборы микроэнергокомплекса з
3.4 Разработка общей схемы микроэнергокомплекса базе солнечного коллектора, влажно-паровой турбины и теплового насоса 73
Выводы по главе 3 78
Глава 4. Расчет основных блоков микроэнергокомплекса 79
4.1 Расчет основных элементов системы пароприготовления 79
4.1.1 Влияние солнечных нагревателей на экономичность МЭК 79
4.1.2 Расчет количества вакуумных солнечных коллекторов системы пароприготовления 79
4.1.3 Расчет аккумулирующего объема парогенератора 84
4.1.4 Тепловой расчет аккумулятора-парогенератора 86
4.2 Расчет турбины 96
4.2.1 Выбор конструкции турбины 96
4.2.2 Оптимизация частоты вращения ротора турбины 99
4.2.3 Расчет параметров влажно-паровой центростремительной турбины 101
4.2.4 Расчет расширяющегося сопла 111
4.3 Расчет конденсатора влажно-паровой турбины 112
Выводы по главе 4 115
ГЛАВА 5. Внедрение элементов энергокомплекса, отработка функций энергокомплекса на его отдельных компонентах 117
5.1 Внедрение систем отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии, по южному региону РФ 117
5.2. Демонстрационный Центр 117
5.3 Проект «Умный дом» в жилом микрорайоне 118
5.4 Проект «Умный Дом» в жилом здании повышенной комфортности 124
5.5 Испытательный стенд влажно-паровой микротурбинной установки 129
Выводы по главе 5 134
Заключение 135
Список сокращений и условных обозначений 137
Список использованных источников 138
Список иллюстративного материала
- Традиционные решения автономного энергоснабжения
- Использование энергии низкопотенциальных источников тепла
- Составление развернутой тепловой схемы системы пароприготовления
- Расчет количества вакуумных солнечных коллекторов системы пароприготовления
Введение к работе
Актуальность работы. На рынке энергоснабжения отсутствуют микроэнергетические комплексы (МЭК) малых мощностей для автономных индивидуальных, малоэтажных энергопотребителей, удаленных от централизованных сетей. Такие потребители вынуждены использовать установки раздельного производства тепловой (водогрейные котлы) и электрической энергий (дизельные, бен-зо- или газопоршневые и газотурбинные установки). В связи с тем, что доля малоэтажного строительства уже к 2015 году планируется довести до 60% (что состав-ляет около 54 млн. м жилья в год) потребность в микроэнергокомплексах с каждым годом будет расти. В настоящее время разработаны конструктивные решения малоэтажных зданий различных классов энергоэффективности. Однако энергетические комплексы для обеспечения их как в автономном децентрализованном режиме, так и в комбинированном с традиционными и нетрадиционными технологиями отсутствуют. Такие системы должны обеспечивать дополнение и резервирование централизованных систем.
В диссертации изложена разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и нетрадиционных источников энергии для объектов малоэтажного строительства.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы».
Цель работы. Разработка микроэнергокомплекса на основе влажно-паровой микротурбины и комбинированного использования традиционных и нетрадиционных источников энергии для автономного энергоснабжения децентрализованного потребителя.
При достижении поставленной цели решались следующие задачи:
определение диапазона тепловой и электрической мощностей для различных категорий автономного энергопотребления;
разработка влажно-паровой микротурбины МЭК;
исследование и разработка оптимального схемного решения пароприготовления использующего комбинацию традиционного топлива и солнечной энергии для микроэнергокомплекса;
разработка схем включения компонентов МЭК, обеспечивающих тригенерацию на основе применения теплового насоса;
-исследование и разработка принципиальной тепловой схемы микроэнергокомплекса полезной электрической мощностью до 5 кВт с учетом независимого регулирования тепловой и электрической нагрузки;
-расчетный выбор основных элементов микроэнергокомплекса с учетом климатических условий;
- апробация отдельных элементов комплекса на реальных объектах.
Объектом исследований является совокупность генерирующих установок по производству электрической и тепловой энергий в когенерационном микро-энергокомплексе.
Научная новизна работы:
на основании статистического анализа потребностей в энергоснабжении определено, что для современных малоэтажных индивидуальных домов соотношение тепловой и электрической энергий при реальном среднесуточном потреблении семьи составляет 13:1, что позволяет осуществлять полную когенерацию дома, в отличие от возможностей существующих микроэнергетических установок;
впервые разработана вертикальная компактная конструкция микротурбины, мощностью 5 кВт, что в отличие от известных горизонтальных конструкций позволяет, за счет высокой герметичности снизить потери цикла на эжекцию пара на 15-18 %;
на основании полученного соотношения 13:1 выбрана одновенечная центростремительная ступень микротурбины с электрическим коэффициентом использования тепла 0.07 - 0.08 и тепловым 0.9 - 0.91, что по сравнению с существующими турбинами позволяет повысить энергетическую эффективность работы на 35-40 %;
-установлено, что в отличие от существующих паровых турбин, оптимальная скорость вращения влажно-паровой микротурбины составляет 35000 об/мин, при которой достигается минимальный диаметр рабочего диска с допустимой высотой рабочих лопаток и обеспечивается оптимальный электрический КПД; -впервые получена тепловая схема микроэнергокомплекса на базе влажно-паровой турбины, которая позволяет использовать комбинацию традиционных и возобновляемых источников энергии для тригенерации, при независимом регулировании тепловой и электрической мощностей.
Степень достоверности научных положений и выводов подтверждается обоснованностью принятых в работе допущений, строгостью формальных преобразований, использованием фундаментальных законов и уравнений теплоэнергетики, турбомашиностроения, применением современных программных средств, согласованием результатов расчета с данными экспериментальных исследований, а также с данными литературных научно-технических источников.
Практическая значимость работы: -определен оптимальный диапазон электрической (до 5 кВт) и тепловой (до
65 кВт) энергий, востребованный на рынке малоэтажного строительства; -получена вертикальная компактная конструкция микротурбины, позволяющая сократить монтажное место и упростить сборку серийных образцов;
- предложенная схема энергокомплекса, обеспечивает тригенерацию за счет ком
бинированного использования традиционных и возобновляемых источников
энергии с отдельным регулированием тепловой и электрической энергии;
-создан испытательный образец влажно-паровой микротурбинной установки и демонстрационный комплекс на базе ЮРГПУ (НПИ) по апробированию элементов микроэнергокомплекса;
- проведен мониторинг работы энергетической системы в малоэтажном доме в со
ставе теплового насоса и солнечного коллектора, являющихся блоками разраба
тываемого комплекса, результаты которого показали снижение затрат на энерго
носители на 40-50%.
Реализация работы.
Теоретические и методические разработки нашли практическое применение в процессах эскизного, технического и рабочего проектирования микроэнерго-
комплекса и внедрены на реальных объектах энергоснабжения индивидуального, автономного домостроения (имеются акты внедрения).
Материалы по разработке предложенного в диссертации микроэнергоком-плеса легли в основу выполнения НИР и НИОКР государственных контрактов ГК № 16.516.11.6017 «Создание микроэнергокомплекса на базе высокоэффективной турбины с электрической нагрузкой 5-35 кВт и тепловой мощностью 20 -200 кВт, для систем автономного децентрализованного распределения и потребления тепла и электроэнергии», ГК №16.526.11.6012 по теме «Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии». Работы выполнены на высоком научно-техническом уровне, приняты государственной комиссией и рекомендованы для внедрения. Материалы работ отражены во всех рейтинговых выставках по возобновляемой энергетике, по итогом которых были приняты не только российской, но и мировой общественностью.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс для студентов и магистров по направлению 140100 - «Теплоэнергетика и теплотехника» в курсах лекций «Перспективы развития энергетики», «Проблемы энерго- и ресурсосбережения», «Современные проблемы теплоэнергетики».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Тепловые электрические станции и теплотехника", ЮРГТУ (НПИ); на VII и VIII международных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Повышение эффективности производства электроэнергии»; на конференциях и форумах: с 21 по 23 октября 2010 года на выставке Вертол-Экспо (Ростов-на-Дону) «Х-й Международный бизнес-форум на Дону»; с 12 по 15 мая 2011 года в г. Мадриде (Испания) выставка «Научно-технические и инновационные достижения России»; с 22 по 25 сентября 2011 г в г. Гуанчжоу (Китай) Международная ярмарка малых и средних предприятий; с 19 по 21 апреля 2012 г. в г. Анапа, Краснодарский весенний форум "Энергоэффективность и инновации"; с 10 по 14 сентября 2012 года в г. Брно (Чехия) 54-ая международная машиностроительная ярмарка "MSV — 2012".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение и 2 патента на полезную модель.
Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 160 страниц, 53 иллюстраций, 18 таблиц. Список используемых источников включает 120 наименований.
Традиционные решения автономного энергоснабжения
В последние годы в научно-технической литературе, а также в специализированных периодических изданиях всё чаще встречаются публикации о внедрении и применении различных систем автономного децентрализованного производства тепловой и электрической энергии. Связано это с увеличением тарифов на данные виды энергий и большой разницей между себестоимостью и конечной стоимостью энергии для потребителя, которые будут и дальше ограничивать бюджет потребителей, сдерживать их производственную активность до тех пор, пока не появятся инвестиции, имеющие целью снижение затрат на энергию. Согласно [1], децентрализованный характер и гибкость инвестиций в повышении энергоэффективности у потребителя делает их принципиально перспективными для сегодняшнего состояния экономики России, т.к. инвестиции в энергоснабжение у потребителей менее рискованны, чем в строительство новых электростанций. Одним из направлений инвестиционных решений являются мероприятия по повышению эффективности снабжения хозяйствующего субъекта тепловой и электрической энергией за счет использования энергокомплексов.
Говоря о микроэнергокомплексах для автономного децентрализованного распределения и потребления тепла и электроэнергии, необходимо показать их преимущества в сравнении с традиционными энергоустановками.
В соответствии [2, 95] к теплогенерирующим установкам применяется ряд серьёзных требований по охране окружающей среды. Ниже приведены некоторые из них: - Количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от тепловых энергоустановок не должно превышать установленных норм предельно допустимых выбросов (лимитов). Шумовое воздействие не должно быть выше установленных норм звуковой мощности оборудования. -В организациях, эксплуатирующих тепловые энергоустановки, разрабатывается план мероприятий по снижению вредных выбросов в атмосферу при объявлении особо неблагоприятных метеорологических условий, согласованный с региональными природоохранными органами, предусматривающий мероприятия по предотвращению аварийных выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. - Тепловые энергоустановки, на которых образуются токсичные отходы, должны обеспечивать их своевременную утилизацию, обезвреживание или возможность захоронения на специализированных полигонах, имеющихся в распоряжении местной или региональной администрации. - Для контроля над выбросами загрязняющих веществ в окружающую среду, объемами забираемой и сбрасываемой воды каждое предприятие, эксплуатирующее тепловую энергоустановку, должно быть оснащено постоянно действующими автоматическими приборами, а при их отсутствии или невозможности применения должны использоваться прямые периодические измерения и расчетные методы.
В [2] содержится ряд условий по эксплуатации трубопроводов и различной арматуры, которые в значительной мере повышают стоимость капитальных и эксплуатационных затрат на установку.
Индивидуальные энергокомплексы малой мощности лишены протяженных теплотрасс и громоздкой системы трубопроводов и арматуры. Соответственно исключены потери на теплотрассах и электросетях, которые, в условиях их современного изношенного состояния, превышают выигрыш в КПД станций, за счет больших мощностей и высоких начальных параметров рабочего тела на турбинных электростанциях. Таким образом, проанализировав вышеперечисленные требования, можно наглядно увидеть преимущества использования индивидуальных энергокомплексов для систем автономного децентрализованного распределения и потребления тепла и электроэнергии, которые лишены потерь по теплотрассам и электросетям, а соответственно ниже расход первичного топлива. Утилизация отходов и вредных выбросов у индивидуальных энергокомплексов и др., а также громоздкой системы трубопроводов и арматуры различного назначения.
Согласно [3], к тепловым пунктам также предъявляются многочисленные требования по строительству и эксплуатации, которых лишены автономные микроэнергокомплексы.
Ресурсы органического топлива истощаются и цены на них увеличиваются [67,115, 116], тепловые сети [52, 58, 59, 62, 71, 102] и линии электропередач [55], в большинстве своем, отслужили проектный срок и продолжают работать вследствие чего повышаются энергопотери.
Поэтому будущее энергетики многих развивающихся, а также крупных стран с их незначительными энергетическими ресурсами, с населением, живущим преимущественно в сельских районах, где средняя плотность населения — 15-20 чел/км2, связано с энергокомплексами небольшой мощности, от 10 кВт до 35кВт, работающими на местную электроэнергетическую систему или устанавливаемыми на каждое здание индивидуально и использующими возобновляемые источники энергии. Наиболее подходящими для этих целей являются микрогидроэлектростанции на малых реках и ручьях, солнечные электростанции на фотоэлектрических преобразователях (ФЭП), ветроэнергетические установки и установки для переработки искусственно выращиваемой биомассы и отходов сельскохозяйственного производства в электрическую и тепловую энергию [4].
Поскольку возобновляющиеся источники энергии, в отличие от традиционных, характеризуются меньшей плотностью потока энергии и большей временной неравномерностью, наиболее предпочтительными являются энергоустановки, работающие на разных источниках энергии, но по единому режимному графику, объединенные в энергокомплекс. Это позволит увеличить число часов использования мощности, повысить надежность снабжения электроэнергией, уменьшить суммарные капиталовложения в строительство, снизить себестоимость электроэнергии. В качестве базового производителя электроэнергии целесообразно использовать микро-ГЭС, характеризуемую минимальными удельными капиталовложениями, наибольшей обеспеченностью энергоресурсом в течение суток и более длительных периодов времени [4].
В отличие от крупных электростанций микроэнергетические комплексы вносят минимальные изменения в окружающую среду, а в некоторых отношениях способствуют сохранению природных систем, и поэтому их строительство, требующее неизмеримо меньших капиталовложений, предпочтительнее строительства крупных электроэнергетических объектов, но по удельным экономическим показателям микроэнергокомплексы уступают мощным ТЭС, АЭС и ГЭС [4].
В рассматриваемой литературе, энергокомплексы малой мощности чаще всего встречаются в контексте их применения в сельских районах. Первоочередная задача децентрализованного энергообеспечения сельскохозяйственных районов с неразвитой инфраструктурой состоит в обеспечении сельских жителей электроэнергией для домашнего хозяйства и коммунального потребления. Потребности сельских жителей в электроэнергии, зависящие от природно-климатических условий, уклада и уровня жизни, определяются необходимостью улучшения санитарно-бытовьгх условий (освещение, холодильник, электроплита) и получения информационных услуг (радио, телевизор).
Использование энергии низкопотенциальных источников тепла
Принципиальная тепловая схема микроэнергокомплекса, на базе влажно-паровой микротурбинной установки, солнечных нагревателей и грунтовых зондов, в первом приближении, представлена на рисунке 2.8. В вакуумном солнечном коллекторе 1 вода нагревается до температуры 160 С и закипает, затем она поступает в сепаратор 7 для отделения пара от влаги. Очищенный пар направляется в паровую турбину 5, где он теряет свою энергию, приводя во вращение ротор турбины, соединенный с электрогенератором 6. Отработанный в турбине пар направляется в конденсатор 4, в котором пар конденсируется, за счет отбора теплоты в систему отопления 9 и горячего водоснабжения (ГВС). Конденсат отработанного пара питательным насосом 3 подается в солнечный коллектор. Котел 8 на органическом топливе включается, когда недостаточно мощности солнечных нагревателей. В случае если теплота производимая конденсатором паровой турбины выше необходимой, то избыток сбрасывается в грунт с помощью грунтового теплообменника (зонда) 12, для чего включается циркуляционный насос 10 и соответственно переключается трехходовой клапан 11. Тот же грунтовый зонд может обеспечивать пассивное кондиционирование в летний период.
В данной схеме предусматривается подключение геотермального теплового насоса для дополнительного получения тепловой энергии и возможности осуществления активного кондиционирования. Дополнительными источниками энергии в данном комплексе могут выступать: 1. Мини-ГЭС; 2. Фотопреобразовательные панели; 3. Ветрогенератор. Среднестатистическая семья из 3-4 человек в месяц потребляет до 500 кВт ч электроэнергии, что в среднесуточном выражении мощности требует 0,7 кВт. Учитывая, что коммунально-бытовое потребление имеет значительную неравномерность суточного потребления до 80-85 %, электрическая мощность установки должна быть не менее 3.5 кВт, а с учетом необходимого запаса по мощности принятому в энергетике с учетом собственных нужд, не менее 25 %, электрическая мощность электроагрегата должна выбираться в пределах 4,5 - 5.0 кВт. Поэтому в работе за основу была принята принципиальная тепловая схема микроэнергокомплекса электрической мощностью 5 кВт, на базе влажно-паровой микротурбинной установки, солнечных нагревателей и теплового насоса. При увеличении электропотребления с увеличением площади здания и количества квартир, электрическая мощность возрастает до 10 — 15 кВт (например, для 2 — 3 квартирного жилого дома). Если возникает необходимость в техническом электропотреблении (фермерское хозяйство и др.), то востребованная электрическая мощность может возрастать до 30 кВт.
Современные когенерационные установки позволяют получать электрическую и тепловую энергию с соотношением 1:2, при этом тепла явно не достаточно для отопления и нет возможности отдельно регулировать выработку тепла и электроэнергии.
Требования к тепловой схеме, теплоносителям и конструкции микроэнергокомплекса: - давление рабочей среды на входе в микротурбинную установку должно быть 0,6 МПа (см. п. 3.1); -температура влажного пара принята 160 С, как температура насыщения при давлении 0,6 МПа (см. п. 3.1); -Максимальная электрическая мощность установки для индивидуального, автономного энергопотребителя определена как 5 кВт, из условий необходимости регулирования суточных графиков нагрузки; -Обеспечить соотношение производимой электрической и тепловой мощностей 1:13-5 кВт электроэнергии, 65 кВт тепловой энергии (оптимальность данного соотношения подтверждается п. 2.3.) -Обеспечить раздельное регулирование тепловой и электрической энергии.
Теплообмен осуществляется интенсивнее у теплоносителей в жидкой фазе. Учитывая это в солнечном нагревателе необходимо использовать теплоносители-рассолы с высокой температурой кипения. Температура теплоносителя в солнечных нагревателях должна быть 180 -200 С (условие получения пара с температурой 160 С от солнечных коллекторов).
Рабочий процесс во влажно-паровой турбине связан с фазовыми переходами от паровой среды к конденсату. При этом желательно чтобы конденсат образовывался не в проточной части турбины, так как капли влаги при сверхзвуковых скоростях способны вызвать эрозионный износ металла рабочего колеса микротурбины. Поэтому скорость движения рабочей среды в проточной части турбины принималась менее 700 м/с, а в качестве теплоносителя желательно применять воду, либо фреоновые рассолы с температурой кипения 80-60 С при давлении 0,1-0,06 МПа.
Конденсатор микротурбинной установки является теплообменником системы отопления и горячего водоснабжения. Отсюда рабочая среда системы отопления должна быть замкнута на свой циркуляционный контур, а система горячего водоснабжения должна работать через бойлер, чтобы обеспечить проточность горячей воды.
Таким образом, различие в требованиях к теплоносителям для солнечных нагревателей, микротурбины и систем отопления и горячего водоснабжения приводит к необходимости делать три циркуляционных контура: один для системы пароприготовления, второй для системы микротурбинной установки и третий для системы отопления и горячего водоснабжения. На основании приведенного анализа разработан второй вариант принципиальной тепловой схемы микроэнергокомплекса представленный на рисунке 2.9.
Составление развернутой тепловой схемы системы пароприготовления
Для выработки пара (рабочего тела с давлением Р = 0,6 МПа, температурой t = 160 С и расходом до 0,15 кг/с на турбинную установку МЭК (в зависимости от потребляемой мощности), принята развернутая схема подготовки пара, с последовательным соединением источников теплоты (рисунок 3.7).
Последовательная схема позволяет производить пар в парогенераторе, как по раздельной схеме соединений, так и по комбинированной схеме. При раздельной схеме источником тепла для производства пара может быть либо котел, работающий в ночное время, либо солнечные нагреватели, получающие радиационное тепло в светлое время суток. В этом случае неработающий элемент схемы байпасируется по обводной линии. Комбинированная схема предполагает, что если солнечного излучения недостаточно для получения тепла в вакуумных солнечных нагревателях, то работает и источник на органическом топливе, который вырабатывает недостающее тепло для производства пара в парогенераторе. При такой схеме в парогенераторе используется один теплообменник, а в одном и том же циркуляционном контуре системы пароприготовления применяется единый теплоноситель.
Промежуточный теплоноситель заправляется в солнечный контур через заправочные краны (7) и перекачивается насосом контура источников теплоты (5), через группы солнечных коллекторов (3), которые соединены параллельно. После прохождения солнечных коллекторов, теплоноситель с температурой 150 - 200 С, перекачивается в парогенератор (8) и передает свою теплоту питательной воде, находящейся в нем. Из воды образуется пар с параметрами t = 160 С и р = 0,6 МПа. При недостаточной мощности группы солнечных коллекторов включается дополнительный источник теплоты на органическом топливе (1).
В конструкции парогенератора предусмотрен дополнительный объем для аккумуляции воды в состоянии насыщения, который обеспечивает работу микроэнергокомплекса после спада солнечной активности в течение трех часов. Емкость данного аккумулятора зависит от географического местоположения и мощности проектируемого микроэнергокомплекса, для Ростовской области составляет 1 м3.
Паросиловая часть энергокомплекса, практически не отличается от схем существующих тепловых электрических станций (ТЭС) [40, 57, 75, 91, 97]. В силу низких начальных параметров рабочего тела и конструктивных особенностей турбины, схема разрабатываемого комплекса лишена отборов пара с турбины, системы регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара (рисунок 3.8).
Тепловая схема паросилового циркуляционного контура микроэнергокомплекса: 1 - парогенератор-сухопарник, 2 - главный паропровод, 3 - паровой регулирующий клапан, 4 - клапан регулирования пропуска пара через байпасную линию, 5 - микротурбина 5 кВт, 6 электрогенератор, 7 - система охлаждения, 8 - циркуляционный насос системы охлаждения, 9 - конденсатор паровой турбины, 10 - конденсатный насос, 11 - насос подпитки теплоносителя, 12 - бак запасного конденсата, 13 - эжектор, 14 - питательный насос, 15 - теплообменник охлаждения воды для эжектора, 16 - расходомер паросилового контура Пар из парогенератора-сухопарника (1), через главный паропровод (2), поступает на турбину (5). Расход пара, поступающего на турбину регулируется клапаном (3). Пар отрабатывает в турбине и конденсируется в конденсаторе (9), за счет отвода теплоты в систему охлаждения (7), циркуляцию теплоносителя через которую создает насос (8). Системой охлаждения (7) в разрабатываемом микроэнергокомплексе выступает система отопления и горячего водоснабжения здания. Использование байпасной линии пропуска свежего пара в конденсатор обеспечивает возможность поддерживать нагрузку системы отопления при сниженной электрической мощности. Пропуск пара через байпасную линию регулируется клапаном (4). Отвод избыточной теплоты, выделяющейся в генераторе, так же осуществляется в систему охлаждения (7). Для поддержания необходимого разряжения в конденсаторе используется эжектор (ІЗ). Охлаждение воды поступающей на эжектор осуществляется за счет системы охлаждения (7). Питательный (14) и конденсатный (10) насосы необходимы для транспортировки конденсата из конденсатора в парогенератор-сухопарник и создания перед ним необходимого давления. Расходомер (16) с датчиками температуры и манометрами необходим для контроля параметров теплоносителя в цикле и работы системы автоматики. С помощью насоса (11) происходит заполнения бака запасного конденсата (12).
Расчет количества вакуумных солнечных коллекторов системы пароприготовления
При конструкторском расчёте теплообменного аппарата необходимо определить F. Поскольку в 3-х уравнениях (4.2) - (4.4) уже есть 2 неизвестных Q и F, то в исходных данных можно допустить только одну неизвестную Gr или GB, или tpK, tBK. Входные температуры, как правило, всегда задают. В нашем случае заданы расход и температуры, а также энтальпии нагреваемой воды. Соответственно из уравнения (4.2) на первом этапе, задавшись температурой trK, сравнительно легко можно определить расход греющей среды. Однако величины, входящие в уравнение (4.4) К, Atq, являются функцией скоростей теплоносителя, т.е. расходов, температур, как начальных, так и конечных, конфигураций поверхности и самой величины поверхности теплообмена.
Поэтому и приходится определять F итерационным методом.
Сначала задаваться предварительными значениями К и F, по ним уточнять конечные значения температур trK, tBK, рассчитывать среднее значения AtcPj trcPj tBCP) tccp по ним уточнять значения теплофизических свойств теплоносителя: С, X, и, р, Рг, Ргсср и расходов теплоносителей. Затем снова уточнять конечные значения температур trK] tBK и среднее значение AtcPi trxPi tBXPi tccp, пока эти значения не сравняются с первоначально введенными в цикл.
Следующим этапом является определение скоростей теплоносителей. Для этого уже нужно задаваться конфигурацией поверхности теплообмена: числом и диаметром труб, диаметром корпуса, для них рассчитываются сечения труб и межтрубного пространства
Принимаем, что теплообменник будет состоять из двухплоскостных спиралей из медных трубок диаметром d /oV = 10/8 мм. Количество витков спирали в одном спиральном элементе, и соответствующие другие геометрические параметры определяются принятым внутренним диаметром кожуха. Расчётные значения геометрических параметров одной секции, состоящей из двух спиральных элементов, приведены в таблице 4.8. Расчётное значение поверхности теплопередачи обеспечивается набором соответствующего количества секций.
Для расчёта коэффициентов теплоотдачи от греющей среды к стенке трубки и от стенки к нагреваемой среде необходимо, имея расходы теплоносителей, определить, прежде всего, скорости их движения по формуле: fp где G - расход [кг/с], f — площадь проходного сечения [м2], плотность среды [кг/м3]. Затем - число Рейнольдса по формуле: v где v - кинематическая вязкость [м2/с], d - внутренний диаметр трубопровода [м]. В зависимости от значения числа Рейнольдса, существует три режима движения и соответственно 3 формулы для расчета коэффициента теплоотдачи в каналах: При 104 Re S 105 (турбулентный режим): Nux = 0,021 Re PrA3 (Pr/Prf 25. При 2 103 Re 1 104 (переходный режим): необходимо сначала рассчитать вспомогательный коэффициент ФКе, независящий от Re: Фяе и-1,7 +3,47 -Re-W3, а затем и число Нуссельта по формуле: Nu2 = 0Re-PrOA3(Pe/Prcf 25. При Re 2000 (ламинарный режим). Здесь начинает сказываться еще свободная конвекция, поэтому сначала определяют коэффициент объёмного расширения по формуле:
Число Нуссельта по формуле: М/з = 0,17 Re 3i Pr 43 Gr \ Независимо от того, как определено число Nu, коэффициент теплоотдачи определяется одинаково по формуле: а/ = Nu к/d. Теплофизические свойства кроме Ргс определяются при средней темпере потока, /тс - при и средней температуре стенки, d - характерный размер или dBn или d3KB. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства для каналов сложной формы определяется по формуле:
Для определения поверхности теплообмена необходимо рассчитать средне логарифмическую разность температур между теплоносителями по формуле:
Ниже приведены таблицы 4.9, 4.10, 4.1 результатов расчёта теплоотдачи со стороны греющей среды, со стороны нагреваемой среды в зоне нагрева и кипения, а также коэффициентов теплопередачи, поверхностей нагрева и количества секций.
За основу была принята вертикальная конструкция турбины [41]. Все известные конструкции паровых турбин горизонтальные. Вертикальная конструкция позволяет иметь общий герметичный корпус проточной части и конденсатора турбины, в котором отсутствуют подсосы воздуха и потери через уплотнения. Данный факт позволяет сократить затраты на эжекцию на 15-18 %. Вертикальная конструкция имеет и прикладные практические достоинства. Сборка серийных образцов вертикальной турбины значительно упрощается, по сравнению с горизонтальной конструкцией. В условиях ограниченного места в энергетических пунктах индивидуальных домов 50, 100 и 150 м2 важным является и то, что вертикальная конструкция турбины занимает меньше монтажного места чем горизонтальная.
Были рассчитаны три варианта конструктивной схемы микротурбины: осевая двухвенечная (рисунок 4.2), осевая одновенечная (конструктивно отличается от двухвенечной отсутствием направляющих лопаток и рабочих лопаток второго венца) и одноступенчатая центростремительная (рисунок 4.3). 22 L ОООООООСС": OOOOOOOOT мощностью 5 кВт На рисунке 4.2 обозначены: 1 - станина, 2 - корпус конденсатора, 3 - ребра жесткости, 4 — трубка отвода конденсата, 5 — поверхности теплообмена, 6 — трубка подвода охлаждающей воды, 7 - трубка отвода охлаждающей воды, 8 -направляющее кольцо, 9 - опорный подшипник, 10 - вал, 11 - ряд рабочих лопаток второго венца, 12 - затяжная гайка, 13 - рабочий диск, 14 - рабочие лопатки второго венца, 15 - фиксирующее кольцо, 16 - корпус проточной части, 17, 22, 27 -фланцевое соединение, 18 - направляющая решетка, 19 - эжекционные каналы, 20 - направляющие лопатки, 21 - корпус паровой камеры, 23 - ряд сопловых лопаток, 24 - трубка подвода пара, 25 - диафрагма, 26 - крышка.
Похожие диссертации на Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины, солнечного коллектора и теплового насоса
