Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор парокомпрессионных тну с приводом от ДВС 11
1.1 Анализ особенностей устройства и циклов ТНУ 11
1.2 Реальные конструктивные решения парокомпрессионных ТНУ с приводом от ДВС 23
1.3 Перспективы и экологическая целесообразность применения альтернативных хладагентов в тепловых насосах 30
1.4 Экономические и экологические аспекты применения в качестве привода ТНУ ДВС на различных топливах 38
1.5 Выводы и постановка задач исследований 44
1.6 Список литературы к главе 1 46
ГЛАВА 2. Математическая модель тну с приводом от ДВС 54
2.1 Основные расчетные зависимости 55
2.1.1Описание программного комплекса «Поток» 55
2.1 .2 Метод представления термодинамических и теплофизических функций 61
2.1.3 Расчет компрессора 78
2.1.4 Расчет теплообменника 80
2.1.5 Расчет дросселя 92
2.2.6 Расчет ТНУ с приводом от ДВС 94
2.2 Список литературы к главе 2 103
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование работы ГТНУ 105
3.1 Схема экспериментальной установки 105
3.2 Методика проведения экспериментов 114
3.3 Обработка опытных данных и оценка погрешностей 118
3.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 124
3.5 Список литературы к главе 3 140
ГЛАВА 4. Расчетные исследования эффективности различных схем тну с целью внедрения в существующие системы теплоснабжения 142
4.1 Анализ схемных решений ТНУ на различных хладагентах 142
4.2 Разработка схемы децентрализованного теплоснабжения с использованием ГТНУ 157
4.3 Расчетные исследования характеристик промышленного образца ТНУ с приводом от двигателя КАМАЗ 820.52-260 162
4.4 Основные рекомендации для проектирования ГТНУ 173
4.5 Список литературы к главе 4 175
Основные выводы 177
- Реальные конструктивные решения парокомпрессионных ТНУ с приводом от ДВС
- Экономические и экологические аспекты применения в качестве привода ТНУ ДВС на различных топливах
- Метод представления термодинамических и теплофизических функций
- Разработка схемы децентрализованного теплоснабжения с использованием ГТНУ
Введение к работе
Актуальность темы.
В федеральной программе энергетической стратегии России на период до
2020 года использование нетрадиционных и возобновляемых источников
энергии, в том числе энергетического потенциала существующих в природе
градиентов температур, рассматрив; как ключевой фактор сокращения
затрат общества на знергообеспечеі )дним из наиболее перспективных
способов использования низкопотенциального и сбросного (утилизационного) тепла является использование тепловых насосов.
Технология отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов с помощью тепловых насосов признана и довольно популярна во всем мире. В ряде стран теплонасосные установки (ТНУ) вошли в стандарты на системы отопления в качестве обязательного оборудования. На сегодняшний день в мире насчитывается более 90 миллионов тепловых насосов.
В области повышения эффективности ТНУ проведено большое количество исследований, наибольшую известность из которых получили работы Зысина В.А., Иоффе А.Ф., Бродянского В.М., Калниня И.М., Литовского Е.И., Пустовалова Ю.В., Рея, Хванга. Ю., Радемачера Р. и многих других. Однако, как показал проведенный анализ, вопросам расчета параметров ТНУ с приводом от ДВС не было уделено достаточного внимания, и поиски перспективных энергосберегающих технических решений далеко не исчерпаны.
Несмотря на значительное количество расчетных и экспериментальных работ по ТНУ, опыт их практического внедрения в России ограничен (140 установок) и часто не оправдывается экономически при существующих тарифах на энергоносители.
Исследования технико-экономических характеристик ТНУ на кафедре ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева, проведенные ранее Гуреевым В.М. и Ермаковым A.M. с использованием ПК «ПОТОК», позволили выявить границы рентабельности ТНУ в российских условиях. Из их исследований следует, что при существующих сегодня тарифах на энергоснабжение внедрение ТНУ с электрическим приводом практически нецелесообразно. Решением данной проблемы могло бы быть применение ДВС в качестве привода ТНУ, о возможности использования которого впервые высказался Зысин В.А. в 1947 году.
Цель и задачи исследований.
Целью работы является повышение эффективности ТНУ с приводом от ДВС за счет выбора рационального схемного решения и применения экологичных хладагентов с улучшенными теплофизическими свойствами, создания методики расчета характеристик ТНУ с приводом от ДВС на основе использования единого подхода по описанию свойств различных индивидуальных веществ с учетом их реальных свойств в зависимости от различных внешних условий.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- разработка методики расчета характеристик ТНУ с приводом от ДВС с
учетом реальных свойств хладагентов;
- модернизация ПК «ПОТОК» для расчета парокомпрессионных
теплонасосных установок;
проведение численных исследований энергетических характеристик теплонасосных установок;
создание экспериментальной установки для исследования реальных характеристик теплонасосной установки с приводом от ДВС;
сравнение результатов численного и физического экспериментов по исследованию энергетических характеристик теплонасосной установки;
- разработка рекомендаций по повышению эффективности
парокомпрессионных теплонасосных установок по результатам расчетных и
экспериментальных исследований.
Научная новизна работы.
Научная новизна основных положений диссертации заключается в следующем:
- предложен модифицированный метод представления
термодинамических и теплофизических функций жидкостей и газов на основе
единого подхода, учитывающего реальные свойства различных
индивидуальных веществ;
- разработана расчетная модель парокомпрессионной теплонасосной
установки с приводом от ДВС в ПК «ПОТОК» с использованием
предложенного метода;
по результатам анализа расчетных и экспериментальных исследований установлены и математически описаны зависимости влияния внешних параметров (температуры теплоносителя на входе и на выходе из ТНУ) на энергетические характеристики ТНУ (мощность привода, тепловую мощность, коэффициент преобразования, коэффициент использования топлива);
разработаны рекомендации для проектирования ТНУ с приводом от ДВС с использованием различных рабочих тел;
Практическая значимость и реализация результатов.
Предложено схемное решение ТНУ с приводом от ДВС (схема с охладителем конденсата) и выбран хладагент, которые позволяют увеличить эффективность установки на 20% по сравнению с аналогами.
Создана экспериментальная установка для исследования реальных характеристик ТНУ с приводом от ДВС (мощность привода 2,3-4,2 кВт, тепловая мощность 16-23 кВт, коэффициент преобразования 4-8,3) при различных схемных решениях и режимах работы.
Материалы диссертационной работы использованы при создании пилотной установки в ООО «КамЭнергоРемонт» и в учебном процессе при изложении лекционного курса и проведении практических занятий по дисциплине «Энергетический комплекс промышленных предприятий».
Разработан эскизный проект промышленной ТНУ с приводом от газового двигателя КАМАЗ 820.52-260 с тепловой мощностью 0,8 МВт и мощностью привода 190 кВт.
Полученные результаты могут быть рекомендованы к использованию в ОАО «ТАТЭНЕРГО», ОАО «КАМАЗ» и других организациях.
Личный вклад автора в работу. Автором разработана расчетная модель
парокомпрессионной теплонасосной установки с приводом от ДВС в ПК
«ПОТОК», получены и внесены в базу данных индивидуальных веществ ПК
«ПОТОК» аппроксимационные уравнения для термодинамических функций
хладагентов R12, R22, R134a, R125, R32 и метана, спроектирована и создана
экспериментальная установка для исследования характеристик
парокомпрессионной теплонасосной установки и проведены
экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы полученные опытные данные.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы представлялись на международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2005-2007), юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию Ф.З.Тинчурина «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России» (Казань, 2006), XVI школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика Леонтьева (Санкт-Петербург, 2007), VIII и IX симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2007-2008), III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007), I всероссийской научно-практической конференции «Формирование системы экономической безопасности в России и ее регионах» (Казань, 2008), конференции «ХолодЭкспоРоссия-2009» (Москва, 2009).
Работа автора на тему «Исследование энергетических характеристик для разработки тригенерационной установки на базе теплонасосной установки с приводом от ДВС для отопления, электро- и хладоснабжения жилых и производственных зданий» по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса («УМНИК») 2007 года была награждена почетной грамотой.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 3 статьи, 12 тезисов докладов и 3 научно-технических отчета.
Объем и структура работы.
Диссертация изложена на 175 листах машинописного текста. Она состоит из введения, четырех глав и списков литературы. В работе содержится 54 рисунка и 17 таблиц. Список использованной литературы включает 172 наименования работ.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся: расчетная модель ТНУ с приводом от ДВС и результаты экспериментальных и численных исследований по выбору схемных решений ТНУ и рабочих тел, определению оптимальных параметров ТНУ с газопоршневым приводом (ГТНУ) и рациональных режимов ее использования.
Реальные конструктивные решения парокомпрессионных ТНУ с приводом от ДВС
Принцип применения ДВС в качестве привода компрессора известен и широко используется в ТНУ [22, 35, 36, 73, 91, 98, 99, 100, 104, 109, 116]. Сжигание топлива в таких установках происходит непосредственно внутри теплового двигателя. В нем часть теплоты переходит в механическую энергию, которая поступает на привод компрессора теплового насоса. Отработанная теплота двигателя также может быть использована в качестве полезного тепла в СУТ, в которой возможна дополнительная утилизация теплоты отходящих газов, теплоты тосола из рубашки охлаждения двигателя и теплоты масла из системы смазки. Это дает ряд технических и экономических преимуществ по сравнению с электрическим приводом, но также ставит ряд новых проблем. Основным и существенным недостатком ТНУ с электрическим приводом является необходимость двойного преобразования энергии, т.е. получение электроэнергии на ТЭС или ТЭЦ путем сжигания высокоценного топлива, а затем повторное превращение в механическую энергию. Также присутствуют потери в понизительном электротрансформаторе и потери во внешней и внутренней электросети, неизбежные для электродвигателя. Кроме того, часто приходится передавать электроэнергию на довольно значительные расстояния. Все это, соответственно, влечет за собой повышение стоимости электроэнергии и, как следствие, существенное увеличение срока окупаемости. Так, например, из результатов работы [28] следует, что при коэффициенте преобразования, равном ср = 6, срок окупаемости ТНУ с электрическим приводом составляет около 8 лет, в то время как для газопоршневого привода срок окупаемости составляет чуть более 2-х лет. Наряду с существующими недостатками, у электромоторов есть и неоспоримые преимущества: низкие капиталовложения и практически полное отсутствие потребности в обслуживании.
Преимущество ТНУ с приводом от ДВС заключается в более высоком КРІТ за счет комбинированного использования энергии НИТ с помощью ТНУ и утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания, а также в автономности (возможность применения на транспортных установках - морских судах и самолетах; использование без применения электричества). КОП имеет большое практическое значение как показатель выработки теплоты на единицу затраченной работы. В тепловом насосе с приводом от ДВС в случае утилизации теплоты двигателя сохраняется определение р как отношения отданной в ТН теплоты к затрате мощности на привод компрессора [63]. Для более представительской оценки эффективности тепловых насосов с приводом от ДВС вместо коэффициента преобразования применяется коэффициент использования первичной энергии (коэффициент использования топлива (КИТ)), определяемый отношением отпущенной теплоты к энергии первичного топлива, затраченной на привод теплового насоса [63, 87, 117] где г]а - эффективный КПД двигателя внутреннего сгорания; /? - коэффициент использования сбросной теплоты двигателя в теплообменниках после конденсатора. Типичная монтажная схема теплового насоса с приводом от ДВС состоит из двух полезных циркуляционных контуров. Низкотемпературное отопление (45/35 С) осуществляется за счет использования теплоты конденсатора теплового насоса. Высокотемпературный контур горячей воды (90/70 С) подключен к системе охлаждения ДВС и теплообменнику отходящего газа.
Существуют два варианта соединения между тепловым двигателем и тепловым насосом: непосредственное соединение ДВС с компрессором ТН и косвенное соединение через электрогенератор и электродвигатель. При электрическом подключении в ДВС большой мощности возможны производство собственной электроэнергии и передача ее на расстояние [112]. В электрическом соединении ДВС с ТН заключена возможность перехода к тепловым насосам с электрическим приводом, например, при питании теплового насоса электрическим током, произведенным на электростанции. Преимуществом такой схемы является дублирование привода компрессора и параллельная генерация электроэнергии. К недостаткам же следует отнести более низкий КПД за счет дополнительных потерь между ДВС и компрессором [118], увеличение капитальных затрат на электродвигатель и электрогенератор и ухудшение массогабаритных характеристик установки. Уже в I960 годах в Великобритании и Франции эксплуатировалось несколько ТНУ с приводом от ДВС [87, 88, 95, 107]. В 1980 году фирма Burmeister&Wain запустила прототип ТНУ с приводом от ДВС мощностью 10 МВт в Датском городе Фредерикшоун [113]. При средней температуре ПИТ, равной 12С, и режиме отопления 80/50С ежегодная экономия топлива составила порядка 4000 тонн. Срок окупаемости такой установки с учетом стоимости монтажа тепловых сетей по всему заводу составил 4,4 года. Высокая стоимость электроэнергии способствовала широкому применению таких установок в Нидерландах, где наблюдалось значительное развитие газовой отрасли в стране. В качестве НИТ в основном использовался наружный или выбрасываемый из систем вентиляции воздух, и реже грунт и водоемы. Значительную долю использования газомоторных ТНУ составляло отопление теплиц.
Причем, часто выхлопные газы после СУТ направлялись непосредственно в теплицу, что способствовало существенному ускорению роста растений. Широкое распространение ТНУ с приводом от ДВС получили в Германии [90, 101]. Здесь, несмотря па повышенную популярность электрических ТНУ, использование тепловых насосов с приводом от тепловых двигателей становится выгодным в зданиях, в которых отопительная нагрузка составляет более 3000 кВт при количестве часов использования, превышающем 3000 ч/год. Фирма «Бауэр» (Германия) осуществляет производство унифицированных ТНУ разной теплопроизводительности с газовыми и жидкотопливными двигателями. Эти установки энергетически эффективнее электрических, могут быть полностью автономными, но они используют более дефицитное топливо, чем ТЭС и АЭС, являются экологически менее чистыми источниками, отличаются повышенным уровнем шума и требует более квалифицированного обслуживания [77]. Следует также иметь в виду, что ТНУ с электроприводом обеспечивает нагрев воды до 70 С, в то время как с приводом от теплового двигателя, за счет утилизации тепла охлаждающей воды и отработавших газов, воду можно нагреть до 90 С и более.
Предложенная в [101] система фирмы Shulzer оказалась особенно выгодной при многоцелевом использовании, когда одновременно требуется и низкая температура для катков, и высокая для бассейнов. При этом компрессор может работать при более низком отношении давлений с использованием теплового насоса для получения сравнительно низких температур и догрсвом необходимого количества воды после конденсатора сбросным теплом двигателя. В Англии была запущена теплонасосная установка для отопления и охлаждения зала выставки на Темзе [97]. Это была самая большая в Англии ТНУ с приводом от ДВС, вырабатывающая для отопления Ок = 2,27 10б ккал/час, что обеспечивало примерно половину всей потребности парадного зала в тепле в холодную погоду или треть этой потребности в очень холодную погоду. Остальную часть потребности в тепле покрывают обычные отопительные котлы, работающие на городском газе. При максимальной тепловой нагрузке ТНУ нагревала воду до 74С, получая ее обратно из парадного зала при 60 С. В качестве привода служил газовый двигатель (переоборудованный из авиационного) мощностью 350 л.с. с КПД і]u = 30% . Использование в качестве привода ТНУ списанных из авиации авиационных двигателей позволило резко снизить первоначальные капитальные затраты. Опытный образец парокомпрессионной ТНУ с приводом от ДВС для утилизации теплоты сточных вод с температурой 80С и получения насыщенного водяного пара с температурой 110С, созданной в Англии, оказался первым в своем роде [105]. Компоновка теплового
Экономические и экологические аспекты применения в качестве привода ТНУ ДВС на различных топливах
На сегодняшний день в ДВС применяются топлива в двух агрегатных состояниях: жидком и газообразном. Сырьевой базой для их получения являются невозобновляемые источники энергии - полезные ископаемые (нефть, газ, уголь и др.) и возобновляемые источники энергии (древесина, биомасса, сельскохозяйственные и бытовые отходы и др.) [47,51,83]. Объем потребления нефти весьма значителен, однако ее разведанные и прогнозируемые запасы весьма ограничены. Ежегодно в мире добывается около 3 млрд. т нефти, что при сохранении такого уровня добычи нефти может привести к полному истощению ее запасов примерно через 50 лет. Причем, из-за роста спроса на нефть будет непрерывно нарастать се дефицит, который к 2025 г. может достигнуть 16 млн. баррелей в день [24]. В России прогнозируется падение добычи нефти после 2010 г., которое вызовет дефицит нефтепродуктов в размере до 10 млн. т в год [42], а вот добыча каменного угля и природного газа в период до 2020 г. будет увеличиваться [4, 38]. Удорожание добычи нефти и увеличение затрат на нефтепереработку, вызванных увеличением глубины ее переработки и использованием при производстве моторных топлив продуктов вторичных (деструктивных) процессов переработки конечных фракций и мазута, обуславливает все большее повышение цеп на нефть и нефтепродукты (термического и каталитического крекинга) [51]. В мире наблюдается распространяющаяся дизелизация автомобильного транспорта. Это, в первую очередь, связано с тем, что себестоимость производства бензина на 13—15 % выше себестоимости дизельного топлива [74], а также с экономией топлива при использовании дизельных двигателей на 18-35% по сравнению с бензиновыми двигателями. Доля потребления дизельных топлив достаточно высока и в настоящее время составляет около 40 % от общего ресурса моторных топлив, в то время как доля потребления автомобильных бензинов равна примерно 35 % [9].
Следует также учитывать, что максимальный КПД современных бензиновых двигателей составляет 32-34%, а в условиях эксплуатации — примерно 23% [45], в то время как максимальный КПД дизелей и газовых двигателей может достигать 40% [25, 70]. Россия обладает 4,6 % от разведанных мировых запасов нефти и 12—13 % от прогнозируемых. По запасам природного газа эти показатели составляют 30,7 и 42,3 %, а по запасам угля - 15,9 и 23 % соответственно [38, 72]. Не все в порядке и с глубиной переработки нефти. Если в США этот показатель составляет 90-98%, то в России в настоящее время она достигла уровня 70 % [68, 85]. Как отмечено выше, на период до 2010 г. развитие топливного баланса России характеризуется значительным увеличением потребления моторных топлив и сравнительно небольшим приростом общего объема добычи нефти, что приведет к острому ее дефициту. Особенность энергетического рынка России заключается в значительно большей разнице цен на газ и уголь, с одной стороны, и на моторное топливо — с другой, по сравнению с .мировыми ценами, что подтверждается и динамикой роста цен на основные энергоносители. Так, за период с 1999 по 2004 гг. цены на нефть увеличились более чем в два раза, на уголь — в два раза, а на природный газ — лишь на 50 % [4]. Все это способствует широкому внедрению альтернативных топлив в нашей стране. На сегодняшний день наиболее перспективными из альтернативных топлив являются топлива, получаемые из газового сырья, угля и сланцев, а также топлива растительного происхождения [47, 75, 84]. В [78] представлены диаграммы потребления полезных ископаемых и их запасов. В диаграммах указанные энергетические ресурсы сравниваются в единицах теплоты, и видно, что если по разведанным запасам лидирует уголь, то по прогнозируемым запасам преимущество имеет природный газ. Природный газ в основном состоит из метана с примесью других углеводородов и инертных газов. Примерный состав природного горючего газа может характеризоваться следующими значениями (% по объему) [25]: метан - 85-90, этан - 1,0-8,0, пропан, бутан -0,5-3, азот - 0,5-0,7, углекислота - до 1,8. Октановое число (ОЧ) основного компонента газа -метана имеет значение 104 единицы (ОЧ/М). Низшая теплота сгорания природного газа при стандартных условиях (/ = 0С и р = 0,1 МПа) составляет 37044 кДж/м3. Природный газ месторождений характеризуется различным составом, в зависимости от которого изменяются и его теплотехнические характеристики, однако область допустимых условий работы на природном газе близка к «метановой» вследствие малости концентраций в нем других компонентов. Большая часть природных газов обладает высокой теплотой сгорания стехиометрической топливно-воздушной смеси, что делает особенно привлекательным их применение в качестве моторного топлива. К альтернативным топливам относятся спиртосодержащие топлива, в основном эганол С2Н5ОНп метанол СНъОН. Применение спиртов объясняется, в первую очередь, высокой детонационной стойкостью, однако широкого применения эти топлива не нашли в связи с высоким значением скрытой теплоты парообразования, приводящей к большим затратам тепла на их испарение [44]. К тому же метанол является сильнодействующим нервно-сосудистым ядом, что также осложняет его применение. Диметиловый эфир СИъОСНъ рассматривается как одно из наиболее перспективных альтернативных топлив для дизелей [54, 62]. Он имеет высокое цетановое число, не токсичен и не загрязняет окружающую среду, однако пока цена диметилового эфира превосходит цену традиционных моторных топлив [24]. Применение в качестве альтернативных топлив аммиака NH3 и водорода Н2 перспективно в связи с отсутствием в их молекуле углерода.
Сложность применения аммиака - в его низкой температуре горения и низком значении ПДК. Что касается водорода, то по своей массовой энергоемкости он превосходит углеводородные топлива в 2,5...3,0 раза, спирты -5...6 раз, аммиак - в 7 раз и при этом обладает уникальными экологическими качествами [41]. За последнее время резко возросло количество работ по исследованию использования водорода в качестве добавок и основного топлива в двигателях. Многие считают водород топливом будущего, и с этим тяжело не согласиться, однако пока себестоимость его получения в 2-10 раз выше себестоимости получения традиционных жидких іоплив и природного газа [37], широкое применение водорода в ближайшей перспективе остается проблематичным. Еще более отдаляют прогнозируемые сроки широкого применения водорода отсутствие инфраструктуры его производства в необходимых для транспорта количествах, сложность хранения, транспортировки и заправки автомобилей. В настоящее время первое место в мире по потреблению на транспорте среди альтернативных топлив занимают сжиженные нефтяные газы (СНГ) — пропан и бутан, получаемые при переработке нефтяного (попутного) газа [51]. Так, за период с 1995 до 2010 г. ожидается увеличение потребления СНГ на транспорте с 4,7 до 10,2 млн. т [24]. Следует отметить и более низкую себестоимость производства этого вида топлива в России но сравнению с традиционными моторными топливами — бензинами [51, 56]. Находят применение топлива растительного происхождения: подсолнечное, рапсовое, апельсиновое, эвкалиптовое, хлопковое, соевое и т.п. масла [47, 84]. В настоящее время стоимость растительных масел соизмерима со стоимостью нефтяных топлив, поэтому в ряде случаев становится экономически выгодным применение таких топлив.
Процесс работы двигателей внутреннего сгорания сопровождается загрязнением атмосферы вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами, картерными газами и топливными испарениями. При этом 95-99% вредных выбросов двигателей приходится на ОГ, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя состава [29]. Физико-физические основы образования различных веществ в цилиндре различных двигателей подробно рассмотрены в работах [24, 29, 34, 44, 49, 52, 69], из которых видно, что состав отработавших газов двигателей ДВС зависит не только от типа используемого топлива, но и от типа организации и совершенства рабочего процесса двигателя. ОГ двигателей представляют собой многокомпонентную смесь, содержащую продукты полного сгорания топлива (диоксид углеродаС02и вода НгО) и продукты неполного сгорания (оксид углерода СО, газообразные углеводороды СНХ, альдегиды ЯСНО, сажа С) [29, 44]. В ОГ
Метод представления термодинамических и теплофизических функций
Ограничения на величину варьируемых параметров необходимы для того, чтобы в процессе поиска решения системы уравнений не попасть в ситуации, приводящие к прерываниям. Например, нельзя допускать отрицательные значения расходов, температур и т.д. Для облегчения процесса поиска решения желательно максимальные и минимальные значения параметров назначать так, чтобы ограничиваемая ими область была по возможности шире, но одновременно исключалась возможность появления их некорректных значений. Строковый массив «STRE» дает возможность произвести дополнительные расчеты (не предусмотренные в алгоритмах описания узлов установки). Расчёты производятся после завершения расчёта всех узлов схемы установки. Они могут быть использованы как значения ПЗУ законов регулирования или выводиться в качестве результатов в файл результатов или таблицу результатов. Массив записывается в виде одной или нескольких символьных строк. В качестве строки воспринимаются символы, расположенные между 1 и 80 позициями. 2.1.2 Метод представления термодинамических и теплофизических функций. Современные методы расчета процессов, происходящих в различных энергетических установках (газотурбинных двигателях, тепловых насосах, установках газоожижения, вакуумных установках и т.п.), базируются на использовании термодинамических и теплофизических функций (ТТФ), таких, как удельный объем, энтальпия, энтропия, удельная теплоемкость, теплота парообразования и др. Значения этих функций зависят от типа вещества, используемого установкой в качестве рабочего тела, его фазового состава и, в общем случае, от температуры и давления, при которых осуществляются процессы. Рабочее тело установки может состоять из индивидуального вещества или смеси веществ. Вещество может быть однофазным или двухфазным (жидкость и газ). Для расчета зависимостей, определяющих величину ТТФ индивидуальных веществ от температуры и давления, используются термодинамические соотношения и уравнение состояния, параметры которого определяются экспериментально. Виды функциональных зависимостей, описывающих состояния индивидуальных веществ, различны [1, 7]. Использование их при моделировании процессов в установках приводит, с появлением нового вещества, к дополнению модели новыми способами расчета и, соответственно, к изменению программных кодов. Еще сложнее задача расчета обратных функций (например, определения энтальпии по заданным температуре и давлению), которая часто встречается при моделировании различных устройств. Все это в совокупности обуславливает необходимость разработки единого подхода к описанию свойств всех индивидуальных веществ, основанного на аппроксимации.
Разработанный автором метод представления термодинамических и теплофизических функций позволяет использовать единый подход по описанию свойств различных индивидуальных веществ и учитывать их реальные свойства [8]. Из термодинамики известно, что при относительно низких давлениях свойства любого газа с достаточной точностью описываются моделями, принятыми для идеального газа. В данной работе в качестве верхней границы давления для такого газа задается Ртт = 0 05 МПа. Его удельный объем можно определить из уравнения состояния pvw) = RJ1," где vw) - удельный объем идеального газа; Яг — газовая постоянная; Т — температура газа. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении с ид, удельная энтальпия Иид зависят только от температуры газа Т и обычно аппроксимируются с помощью полиномов. В данной работе для аппроксимации теплоёмкости с , используется полином седьмой степени [14]: срш) = а_,( /Ю0О)4 +о0 +a,(r/1000)+«2(r/1000)2 +а3( /Ю00)3 + а4(г/1000)4 + + а5(Г/1000)5 +а6(Г/1000)6 +а7(г/10007), где a_l,aQ,...,a1 — коэффициенты полинома. В таблице 2.3 приведены коэффициенты полинома зависимости теплоёмкости с д от температуры для различных хладагентов, используемых для расчетов в данной работе. Для R22 теплоемкость получена путём интегрирования зависимости h = f(T) при давлении 0.002 МПа. Табулированные значения термодинамических свойств R12 и R22 принимались по [4,13], для R134a - по [23], для R32 и R125 - по [б]. Значение удельной энтальпии, согласно определению, может быть вычислено из уравнения dh = с dT. После интегрирования его правой и левой части получается: Иш) = 100о[а_, 111(7:/1000)+ (771000)+ (Г/1000)2/2 + а2 (г/1000)3/3 + аъ (Г/1000)4/4 + (2 + а4 (Г/1000)5/5 + а5 (т/\000)6/б + а6 (Г/1000)7/7 + а7 (Т/Ш0) /&\+ Ch, где константа интегрирования Си может быть найдена при некоторой температуре Т По заданному значению энтальпии. Значение энтропии вычисляется по уравнению s = s0- RAnp, где функция s0 = \ср dT/T зависит только от температуры и ср. После ее интегрирования можем записать: Константа интегрирования Cs находится по заданному значению энтропии при некоторых значениях Тир. Теплота парообразования газов определяется температурой. Эта зависимость аппроксимируется полиномом седьмой степени по ее заданным табулированным значениям (таблица 2.4): где 6_,,60,...,67 - коэффициенты полинома. Вычисленные коэффициенты полинома из уравнения (2.4) для используемых хладагентов представлены в таблице 2.3. При температуре ниже температуры замерзания величина г увеличивается скачкообразно и при более низких температурах остается практически постоянной.
Однако скачкообразные зависимости существенно ухудшают сходимость метода при решении. Поэтому используется искусственный прием, заменяющий скачкообразное изменение на линейное в интервале 10: где гзал1 - величина г0, вычисленная по полиному (2.4) при Т = Тзаи, Дг - величина Расчет теплоты испарения производится с помощью подпрограммы TEPLIS по уравнениям (2.4) и (2.5). Уравнение связи между температурой и давлением насыщенных паров рабочего тела может быть получено из теоретических соображений [11] в следующем виде: где /?t - давление насыщенных паров при температуре Т\ ps(Ts) - экспериментальное значение "давления насыщенных паров при некоторой температуре Ts; а и Ъ — коэффициенты уравнения г0 = а + ЬТ, связывающего величину теплоты конденсации с температурой. В расчетах более часто используются эмпирические зависимости, полученные на основе обработки экспериментальных результатов, например, уравнение Антуана (таблица 2.5): где В, С, D - коэффициенты, найденные с помощью обработки экспериментальной информации; ps -давление насыщенных паров в [мм. рт. ст.]. Таблица 2.5 Вычисленные коэффициенты из уравнения Антуана (2.7) для используемых хладагентов Расчет температуры Tiiac=f(p) или давления насыщения рішс = f(Tliac) заданного рабочего тела осуществляется в подпрограмме DAVLNA по уравнению (2.7) или (2.8). Коэффициенты В, С, D (таблица 2.5), присутствующие в уравнении Антуана (2.7), принимаются для каждого индивидуального вещества отдельно из специального файла, куда были занесены в результате аппроксимации табулированных значений. Значения таких ТТФ функций, как v, ср, h, s, для реальных веществ отличаются от их значений для идеального газа. Как известно из термодинамики, значения этих функций для реальных веществ могут быть найдены из соотношений: Решения по уравнениям (2.9)-(2.11) могут быть получены, если известны значения v = f(T,p) реальных веществ. Обычно эти функции заданы в табулированном виде, поэтому вычисление интегралов в правой части указанных уравнений приходится осуществлять численно. Такие вычисления достаточно громоздки и требуют больших затрат машинного времени. С учетом того, что расчеты функций при моделировании установок осуществляются тысячи и десятки тысяч раз, при использовании аппроксимационных значений поправок к величине ТТФ функций (Av = f(T,p), Ah = f(T,p), As = f(T,p), Ac = f\T,p)) для идеальных газов эти алгоритмы становятся более эффективными. В качестве исходных данных для аппроксимации лучше всего использовать готовые табулированные зависимости соответствующих функций от температуры и давления. Форма зависимостей, описывающих термодинамические и тешюфизические свойства реальных газов (рисунок 2.3), получается достаточно сложной для аппроксимации, особенно при р ркр, так как имеет место резкий перегиб кривых при Т = 7 . В этом случае
Разработка схемы децентрализованного теплоснабжения с использованием ГТНУ
На сегодняшний день эффективность производства тепловой энергии и основные инженерные решения, применяемые для этого в России, практически не отличаются от применяемых в развитых странах. В целом можно сказать, что эффективность производства тепловой энергии в нашей стране не очень отличается и от общемировых показателей. Совершенно другая ситуация наблюдается при транспортировке тепловой энергии. На сегодняшний день все мероприятия по повышению эффективности транспортирования тепловой энергии направлены лишь на применение более качественных теплоизоляционных материалов. Как описано в работе [б], помимо использования хорошей изоляции необходимо также осуществлять снижение относительных потерь тепловой энергии (потери соотносятся с количеством тепловой энергии, прошедшей по трубопроводной сети) и позволять потребителям самим решать, сколько тепловой энергии потребить и в какое время. Согласно сводным данным по объектам теплоснабжения регионов Российской Федерации, суммарная протяженность тепловых сетей в двухтрубном исчислении составляет около 185 000 км. Средний процент их износа оценивается в 60-70%. По экспертной оценке 15% тепловых сетей требуют безотлагательной замены. Для приведения системы транспорта теплоносителя в надежное состояние необходимо заново построить или провести реконструкцию 150 тыс. км теплотрасс в двухтрубном исчислении [9].
Применение ГТНУ для отопления и горячего водоснабжения, помимо получения теплоты с высоким КПД, может привести к значительному сокращению расходов на ремонт и эксплуатацию тепловых сетей, к снижению относительных потерь тепловой энергии и обеспечению требуемых характеристик теплоносителя у потребителей. Температура в системах распределения тепла изменяется от 40С для воздушных систем до 100С в водяных или паровых системах [7]. При разнородной тепловой нагрузке в водяной системе нижним пределом температуры теплоносителя в подающей линии т] является обычно температура, требуемая для горячего водоснабжения (обычно 50-60С). Верхний предел гj определяется допустимым давлением в подающей линии тепловой сети, исходя из условия невскипания воды. Поскольку эффективность теплового насоса сильно зависит от температуры конденсации хладагента, то желательно снижение температуры распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например, с помощью панелей в полах, температура станет 50С. Повышение расхода воздуха в воздушных системах отопления позволяет снизить температуру до 35С. Практическая реализация этих тенденций в новых зданиях сможет радикально изменить отношение к тепловым насосам. Температура горячей воды, которая приемлема для человека с точки зрения санитарных норм, составляет не более 65С (общепринятое 50...55 С), а по нижней границе - не менее 40С, иначе она считается холодной (Правила предоставления коммунальных услуг РФ №307). На сегодняшний день наибольшее распространение в водяных системах отопления получил график температурных режимов регулирования 90/70С. На рисунке 4.13 показана температурная зависимость температуры теплоносителя в подающей и обратной линиях в зависимости от температуры наружного воздуха (режим регулирования 90/70С). сложности гидравлических расчетов для определения оптимальных размеров шайб, и до псвозможносги учесть другие факторы, влияющие на количество необходимой потребителю тепловой энергии. Однако такой способ регулирования не только повсеместно эксплуатируется, но и зачастую используется в проектах, по которым строят сегодня новые сети и здания. Тепловая нагрузка потребителей непостоянна, и она может изменяться в зависимости от метеорологических условий (температуры наружного воздуха, скорости ветра, инсоляции), режима расхода воды на отопление и горячее водоснабжение, режима работы технологического оборудования и других факторов. С целью определения характеристик ГТНУ при работе на температурном режиме 90/70С автором были проведены соответствующие расчеты режимов работы установки при изменении температуры наружного воздуха и тепловой нагрузки системы отопления. Анализ результатов расчетов показал, что работа ГТНУ при режиме регулирования температуры теплоносителя 90/70С оказывается неэффективной, поскольку имеющегося перепада температур теплоносителя в конденсаторе не хватает для того, чтобы полностью охладить и сконденсировать пары хладагента. Во всем диапазоне изменения температуры теплоносителя степень влажности хладагента на выходе из компрессора не превышала 0,25, что существенно снижает тёплопроизводительность установки, учитывая что теплота конденсации составляет порядка 60% от вырабатываемой тепловой мощности. Из сказанного выше можно сделать выводы, что обычная схема теплоснабжения не подходит для эксплуатации ГТНУ, поэтому была поставлена задача разработки альтернативной схемы децентрализованного теплоснабжения и ГВС. Новая схема, в первую очередь, должна иметь более высокую разницу температур в подающей и обратной линиях.
Увеличить перепад температур теплоносителя в конденсаторе можно, увеличив температуру теплоносителя в подающей линии и снизив температуру теплоносителя в обратной линии. Увеличение температуры теплоносителя в подающей линии является нежелательным, т.к. это приведет к соответствующему увеличению температуры конденсации и снижению КОП и коэффициента использования топлива ГТНУ. Снижение температуры теплоносителя па входе в конденсатор, наоборот, за счет дополнительного использования тепла переохлаждения жидкого хладагента в охладителе конденсата ведет к увеличению теплопроизводительнояти ТНУ (соответственно увеличивается р) или к снижению температуры конденсации. Рассмотрим разработанную альтернативную систему децентрализованного теплоснабжения и ГВС с использованием ГТНУ (рис. 4.14). Работа данной системы происходит следующим образом. Насос НІ нагнетает в ГТНУ при температуре 30С холодный теплоноситель, который затем последовательно нагревается в охладителе конденсата (ОК), конденсаторе (К), пластинчатом теплообменнике (ТП) и экономайзере (Э) до температуры 90С (при температуре наружного воздуха равно -26С) и разделяется на два потока. Одна часть поступает в радиаторы системы отопления, на входе в которые установлены регуляторы расхода теплоносителя, а другая часть идет на цели горячего водоснабжения. На выходе из системы отопления (температура 60С) и ГВС (температура 65 С) потоки смешиваются между собой и подаются в систему отопления с теплыми полами (СОТП). Как было указано выше, температура на входе в СОТП не должна превышать 50С, поэтому насос Н2, подмешивая холодную воду из обратного контура, поддерживает температуру на входе в СОТП равной 50С, которая, как было указано выше, является максимально допустимой для данной системы отопления. Пройдя СОТП, вода охлаждается до 30С и с помощью насоса HI направляется обратно в ТНУ. Регулирование теплопроизводительности ГТНУ осуществляется изменением температуры конденсации хладагента th и расхода газа Gm . Таким образом, оставив температуру теплоносителя в подающей линии такой же, как при режиме регулирования 90/70С, и снизив температуру в обратной линии до 30С, мы получаем новый график регулирования теплоты 90/30С, который позволяет эксплуатировать ГТНУ при полной конденсации хладагента.
