Содержание к диссертации
Условные обозначения 5
Глава 1. Эффективность использования вторичных энергоресурсов тепловых двигателей с помощью тепловых насосов 11
Вторичные энергоресурсы тепловых двигателей 11
Вторичные энергоресурсы парогазовых установок 15
Тепловые насосы 23
Использование тепловых насосов совместно с
тепловыми двигателями 24
Применение тепловых насосов для утилизации вторичных
энергоресурсов тепловых двигателей 28
Влияние параметров окружающей среды на эффективность работы
Глава II. Влияние параметров теплового насоса на его эффективность. 50
Влияние разности температур между теплопотребителем
и низкопотенциальным источником теплоты 60
Влияние несовершенства теплообменников ТН 63
Влияние двухступенчатого сжатия в компрессоре ТН на его
характеристики 68
Глава 3. Применение тепловых насосов совместно с
паротурбинными установками 82
3.3. Подогрев сетевой воды при использованием в ТН водяного пара 98
Тепловой расчет 101
Использование ПТУ для электро- и теплоснабжения 112
Использование для когенерации дизель-генератора в схеме с ТН 128
Список использованной литературы 153
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ГТУ — газотурбинная установка
ПТУ — паротурбинная установка
ПГУ - парогазовая установка;
ЦВД, ЦСД, ЦНД - цилиндры высокого, среднего и низкого давлений
паровой турбины;
КУ — котел-утилизатор;
ОГ — отработавшие газы;
ГПСВ — газовый подогреватель сетевой воды котла-утилизатора;
ПК — пиковый котел;
ТН — тепловой насос;
КТН — тепловой насос конденсационного типа;
НПИТ — низкопотенциальный источник теплоты;
ВЭР — вторичные энергоресурсы;
РА - рабочий агент ТН;
ТЭС — тепловая электрическая станция;
ТЭЦ — теплоэлектроцентраль;
КПД, г) — коэффициент полезного действия;
КИТ, К — коэффициент использования топлива;
Цтп, КОП - коэффициент преобразования действительного цикла
ТН;
Цид - коэффициент преобразования идеального цикла ТН
(обратного цикла Карно); 1:ц - температура окружающей среды;
1:Нь - температура НПИТ на входе (1) и выходе (2) из ТН;
1вь tв2 — температура теплопотребителя на входе (1) и выходе (2)
из ТН;
1:и - температура испарения (кипения) рабочего агента в
испарителе ТН;
1:к - температура конденсации рабочего агента в
конденсаторе ТН; Д^ — температурный напор в испарителе ТН;
Д^ — температурный напор в конденсаторе ТН;
Д^о - температурный напор в переохладителе ТН;
Д^р — перегрев РА перед компрессором ТН;
- тепловая мощность ТН (теплота, подведенная к теплопотребителю в ТН); СЬ - холодопроизводительность ТН (теплота, отведенная от
НПИТ в цикл теплового насоса); Ьк — затрачиваемая в компрессоре ТН работа;
Т^пр — мощность, затрачиваемая на привод компрессора ТН.
Введение к работе
Сегодня теплоэнергетика потребляет более 30% добываемого топлива, а вместе с отопительными котельными - более 50%. Абсолютный рост потребления топлива на станциях и непрерывно возрастающая стоимость его добычи определяет необходимость его экономии.
В связи с этим приоритетным является внедрение в Российской Федерации энергосберегающих технологий на промышленных предприятиях и в коммунальном секторе. Российская тепловая энергетика в настоящее время в основном использует для генерации устаревшие паротурбинные энергоблоки, обладающие низким КПД и в значительной степени выработавшие свой ресурс, и остро нуждается в модернизации и наращивании мощностей.
Наряду со способами повышения экономичности тепловых двигателей за счёт совершенствования их конструкции и повышения параметров рабочей среды (повышение начальной температуры газа, степени повышения давления в компрессоре и др.), эффективным путем более полного использования энергии сжигаемого топлива является утилизация вторичных энергоресурсов, образующихся при работе ТД, в том числе и теплоты отработавших газов тепловых двигателей.
Диссертационная работа посвящена проблеме снижения потребления топлива тепловыми двигателями путем утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся при их эксплуатации, в тепловых насосах (ТН). Также рассмотрен вопрос влияния на совместную работу теплового двигателя и ТН температуры наружного воздуха, выполнено экспериментальное исследование влияния изменения температур источника низкопотенциальной теплоты и потребителя на работу ТН.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью разработки и проектирования энергетических установок с утилизацией низкопотенциальных источников теплоты при помощи тепловых насосов.
Учёт влияния на условия работы энергетической установки типа рабочего агента ТН, параметров окружающей среды, в особенности - температуры наружного воздуха, также очень важен.
Цель диссертационной работы - определение эффективности использования ТН для утилизации низкопотенциальных источников теплоты при централизованной схеме теплоснабжения, исследование влияния изменения температуры окружающего воздуха на характеристики энергоустановки, имеющей в своём составе ТН, определение границ эффективного использования ТН.
Научная новизна состоит в следующем:
Выполнено исследование влияния температуры наружного воздуха на энергетические и эксплуатационные характеристики ТН при использовании различных рабочих агентов.
Проведён анализ применения усложнённых тепловых схем ТН, выполнено исследование влияния внешних параметров ТН и рабочего агента на энергетическую эффективность ТН. По полученным результатам выбраны конструктивная схема и рабочие агенты ТН для дальнейшего исследования.
Рассмотрено использование ТН для утилизации вторичных энергоресурсов для трёх типов тепловых энергетических установок — ПТУ, ПТУ и дизельной установки. Проведено расчётное исследование влияния температуры наружного воздуха на энергетическую эффективность энергоустановок. Существенной особенностью исследования является учёт влияния температурного и расходного графиков теплосети на эффективность применения теплового насоса для производства тепловой энергии.
Показано наличие оптимального режима работы ТН и его зависимость от температуры окружающей среды. Определены границы эффективного использования ТН в зависимости от типа энергетической установки и температуры наружного воздуха.
5. Проведено экспериментальное исследование влияния температур низкопотенциального источника теплоты и потребителя на коэффициент преобразования ТН (цтн), подтверждающее полученные расчётные зависимости (хти.
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, определяются методическими расчётами и контролем точности расчётов путём сравнения результатов эксперимента с аналитическими решениями и с опубликованными расчётными и экспериментальными результатами.
Практическая ценность работы определяется возможностью использования рекомендаций по области применения ТН совместно с тепловыми двигателями, при выборе конструктивной схемы ТН и определении типа рабочего агента ТН, оценке энергетической эффективности и определении периода эксплуатации ТН в составе энергетических установок.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Российского университета дружбы народов на заседании секции «Теплотехника и турбомашины» (Москва, 2004 - 2010 гг.). Диссертационная работа заслушана и обсуждена на заседании кафедры теплотехники и тепловых двигателей в 2010 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 опубликованных работах.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста, включая 113 рисунков и 29 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 112 наименований.
Содержание работы.
В первой главе выполнен обзор литературы, посвященный классификации вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся при работе тепловых двигателей, и используемым в настоящее время схемам утилизации ВЭР. Рассмотрены схемы утилизации ВЭР тепловых двигателей с помощью ТН, выполнен обзор сложных схем ТН, направленных на повышение их эффективности. Даётся постановка задачи исследования.
Вторая глава посвящена рассмотрению факторов, оказывающих влияние на основную характеристику ТН - коэффициент преобразования {1ТН. Проведён расчётно-теоретический анализ влияния на (1ТН применения различных рабочих агентов, параметров окружающей среды, внутренних потерь в элементах ТН. Также выполнен расчётный анализ применения сложных схем ТН на коэффициент преобразования.
В третьей главе проведён анализ совместной работы ТН и ПТУ, дана методика определения эффективности применения ТН для утилизации сбросной теплоты ПТУ. Полученные результаты показали возможность применения ТН в случае недостаточной тепловой производительности ПТУ.
В четвёртой главе выполнен расчётно-теоретический анализ применения ТН при совместной работе с тепловыми двигателями: ПГУ с котлом-утилизатором и дизель-генератором. Разработана методика определения эффективности применения ТН в схеме с тепловыми двигателями, учитывающая влияние температуры наружного воздуха на изменение характеристик ТН и тепловых двигателей. Показана эффективность использования рассмотренных схем для комплексного тепло- и энергоснабжения малых городов (ПГУ) и посёлков (дизель-генератор). Экономия топлива в отопительный период составила в зависимости от температуры наружного воздуха 10-20% для дизель-генератора и 11-13% - для ПГУ с котлом-утилизатором.
В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования ТН, целью которого являлась определение влияния температур низкопотенциального источника теплоты и теплопотребителя на коэффициент преобразования теплового насоса. Полученные результаты подтверждают теоретическую зависимость коэффициента преобразования ТН от разности температур теплопотребителя и низкопотенциального источника теплоты. По результатам проведённых экспериментов определена аналитическая зависимость для определения коэффициента преобразования испытательного стенда ТН.
Основные результаты, выводы и рекомендации, полученные в работе, приведены в Заключении.
Работа выполнена в РУДН на кафедре Теплотехники и тепловых двигателей под руководством к.т.н., проф. Шаталова И.К., которому автор выражает глубокую признательность.
Автор также выражает благодарность к.т.н., доценту Барскому И.А. за полезные советы, консультации и поддержку; к.т.н. Антипову Ю.А. за помощь в организации и проведении экспериментальной части работы, а также всему коллективу кафедры Теплотехники и тепловых двигателей Российского Университета Дружбы Народов за помощь в работе.
