Введение к работе
Актуальность работы.
Использование теплонасосного оборудования в области теплоснабжения стало основным энергосберегающим мероприятием не только в мире, но и в России. Множество российских и зарубежных организаций занимаются созданием опытно-промышленных образцов теплонасосных установок отопительного и технологического назначения, так как Россия имеет огромный потенциал низкотемпературных тепловых ресурсов, которые можно использовать для теплоснабжения.
В большинстве европейских государств (за исключением Скандинавских стран) тепловые насосы применяются в основном для горячего водоснабжения, количество таких установок превышает 70% от их общего числа. Распространение тепловых насосов для ГВС связано с малыми отопительными периодами в странах Европы, США и странах азиатского региона, продолжительность которых составляет в среднем 3500-3800 часов в год. Срок окупаемости при использовании тепловых насосов для ГВС составляет 2,5 года, а для целей отопления - 5-8 лет. Использование тепловых насосов для горячего водоснабжения - наиболее выгодный вариант как с термодинамической, так и с экономической точек зрения.
В реальных теплонасосных установках чаще всего часть жидкого фреона вскипает, и в испаритель теплового насоса поступает парожидкостная смесь. Доля жидкого фреона, вскипевшая при дросселировании, составляет приблизительно 30%. При работе ТН на ГВС гарантировано отсутствие такого отрицательного эффекта и, соответственно, возможно получение максимального значения коэффициента трансформации ф. При работе в отопительном режиме теплового насоса потребителем будет получено меньшее на 25-30% количество тепловой энергии.
В российских условиях наиболее востребованы теплонасосные установки для целей отопления, а, следовательно, рассчитанные на более высокие температуры. Поэтому для российских климатических условий должны разрабатываться тепловые насосы, отличающиеся от зарубежных. При повышении температуры горячей воды снижение коэффициента трансформации будет только возрастать.
Значительное количество работ последних лет посвящено вопросам обеспечения конкурентоспособности ТНУ по сравнению с другими способами теплоснабжения. В работах Бродянского В.М., Янтовского Е.Н., Калниня Е.М., Хейндриха Г. и т.д. в качестве границы конкурентоспособности принимается минимальный коэффициент преобразования ф=2,5-4. При существующих тарифах на энергетические ресурсы в России, даже при коэффициенте преобразования ф>4, парокомпрессионные
теплонасосные установки часто оказываются экономически нерентабельными. Используемая методика расчетов и циклового анализа параметров ТНУ дает их завышенные значения, что в дальнейшем приводит к тому, что внедрение тепловых насосов экономически не оправдывается. Возникла необходимость в выявлении причин, приводящих к получению завышенных значений, а так же разработке новых способов повышения эффективности ТНУ в целом и эффективности отдельных ее элементов.
Наиболее полно изучены данные вопросы применительно к холодильной технике, а для тепловых насосов остаётся масса нерешённых вопросов в области: разработок методик расчётов ТНУ с учётом реальности параметров элементов установок и рабочих тел; перевода свойств рабочих тел ТНУ в электронную форму; оптимизации схемных решений ТНУ; повышения эффективности теплообменного оборудования, компрессоров и т.д. Решение данных вопросов делает данную работу актуальной.
Цель исследований: повышение эффективности теплонасосных установок и их элементов на основе численного и физического моделирования процессов теплообмена и гидродинамики, разработка на основе исследований рекомендаций и методик уточнённых расчётов параметров ТНУ.
Основные задачи:
-
Провести анализ опыта внедрения теплонасосных установок в эксплуатацию для энергетических и технологических целей; выявить основные проблемы технического и экономического характера, сдерживающие внедрение ТНУ; определить наиболее перспективные способы повышения эффективности ТНУ и разработать рекомендации по их использованию;
-
Разработать методики расчета теплотехнических параметров теплонасосных установок с использованием программного комплекса для термогазодинамических расчетов энергетических установок «ПОТОК», провести модернизацию программного комплекса и адаптацию его для расчетов теплонасосных установок;
-
На базе численных исследований процессов, проходящих в теплонасосных установках, разработать методы повышения эффективности теплонасосных установок и их элементов, а так же соответствующие им опытные стенды и экспериментальные установки. Выявить и математически описать влияние основных внешних и внутренних параметров ТНУ на их эффективность;
-
Разработать опытные образцы теплонасосных установок и их элементов с улучшенной эффективностью и провести натурные исследования ТНУ и их основных элементов. Разработать конкретные рекомендации по повышению
эффективности парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок.
На основе фундаментальных и прикладных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
-
Разработаны численные модели основных элементов парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок в программном комплексе термогазодинамических расчетов энергетических установок, проведена модификация программного комплекса;
-
Разработана методика представления свойств рабочих тел теплонасосных установок в виде, удобном для использования в расчетном комплексе для термогазодинамических расчетов парокомпрессионных ТНУ;
-
Разработана методика использования программного комплекса для расчета теплотехнических характеристик теплонасосных установок в нерасчетных режимах работы;
-
Установлены и математически описаны зависимости основных показателей эффективности теплонасосных установок от их внешних и внутренних параметров, разработаны рекомендации для выбора оптимальных параметров тепловых насосов;
-
Разработан способ повышения эффективности приводного газопоршневого двигателя парокомпрессионной ТНУ за счет использования добавок водородного топлива, проведено экспериментальное исследование влияния добавок водорода в газовый двигатель, обеспечивающих максимальный рост эффективности двигателя;
-
Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности приводного газопоршневого ДВС ТНУ за счет использования поршневого уплотнения нового типа, проведена опытная апробация работоспособности поршневого уплотнения;
-
Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности теплообменных аппаратов для парокомпрессионных ТНУ за счет использования конусообразных труб и корпусных деталей.
Обоснованность и достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждается сравнением результатов численных исследований с результатами физического эксперимента по определению характеристик элементов теплонасосных установок и удовлетворительной их сходимостью, применением современных методов численного анализа и эффективных методик измерения экспериментальных параметров, оценкой погрешностей измерений.
Научная новизна результатов исследования состоит в:
-
Разработке методики оценки эффективности парокомпрессионных теплонасосных установок с использованием специализированного программного комплекса для термогазодинамических расчетов и модернизации программного комплекса для проведения термодинамического анализа теплонасосных установок на двухфазных рабочих телах;
-
Разработке базы данных термодинамических и теплофизических параметров рабочих тел для теплонасосных установок в электронном виде (7 рабочих тел);
-
Выявлении функциональных зависимостей между параметрами источника низкопотенциальной теплоты и потребителя тепловой энергии и внутренними параметрами ТНУ и оптимизации схемных решений парокомпрессионных ПТНУ на базе численного анализа параметров теплонасосных установок;
-
Разработке метода повышения эффективности теплообменных аппаратов в составе теплонасосных установок за счет применения конусообразной формы корпуса и трубок теплообменника, с использованием результатов численных исследований при изготовлении прототипа интенсифицированного теплообменного аппарата;
-
Разработке метода повышения эффективности теплонасосных установок за счет использования в качестве привода газопоршневых двигателей с новым типом поршневого уплотнения;
-
Разработке метода повышения эффективности газотурбинного привода теплонасосных установок за счет добавки пара в газовый тракт ГТУ и в выявлении по результатам численного исследования влияния добавок пара на эффективность ГТУ;
-
Разработке метода повышения эффективности газовых тепловых насосов за счет использования впрыска воды в газовый тракт теплонасосной установки и в выявлении по результатам численных и экспериментальных исследований влияния впрыска воды на характеристики ТНУ;
-
Разработке метода повышения эффективности газопоршневого привода ТНУ за счет использования добавок водорода в газовое топливо.
Практическое значение результатов работы состоит в:
- Использование нового метода проектирования ТНУ с применением ПК «ПОТОК» и рекомендаций, полученных по результатам численных и экспериментальных исследований, проектными организациями для разработки
теплонасосных установок с более высокими технико-экономическими характеристиками. Реализация результатов работы:
С использованием результатов численных и экспериментальных исследований, выполненных в работе, созданы образцы парокомпрессионных теплонасосных установок мощностью 4,5 и 14 кВт, опытно-промышленная установка ПТНУ мощностью 0,7 МВт, опытно-экспериментальная установка газового теплового насоса мощностью 100 кВт, с более высокими технико-эконимическими параметрами.
Результаты работы использованы: НТЦ ОАО «КАМАЗ» (г. Н.Челны), КазаНЦ РАН (г.Казань), ОАО КМПО (г.Казань), СКТБ «Радиооборудование» (г.Калуга), ООО «Камэнергоремонт-Холдинг» (г. Нижнекамск), ОАО «Татэнерго» (г.Казань), НИИ «Химической промышленности» (г.Казань), Московской государственной академией промышленной экологии и т.д.
Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам:
№ РНП 2.2.1.1.9, № 02.516.11.6001 от «07» марта 2007 г., № 4480/17/07100-05 от 29.09.2005 г., №1234/17/07100-06 от 30.03.06 г., №1884/17/07100-07 от 01.02.2007 г., №1985/17/07100-08 от 30.04.08 г. №1984/17/07100-08 от 30.04.08 г.
В учебном процессе: основные результаты диссертационной работы изложены в учебных пособиях, изданных с грифом УМО: «Энергетический комплекс промышленных предприятий», «Энергетический аудит и энергосбережение на предприятиях», «Теплопередача в промышленных аппаратах» для специальности «Энергетика теплотехнологий» и еще в 8 учебно-методических работах.
Апробация работы.
Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили
одобрение на International Heat and Mass Transfer Conference (Surathkal, India, 1995 г.),
Всероссийской научной конференции «Тепловые двигатели в XXI веке» (Казань, 1999 г.),
Региональном симпозиуме «Проблемы реализации целевых программ
энергосбережения» (Казань 2001г.), IV международном симпозиуме
«Ресурсоэффективность и энергосбережение в современных условиях хозяйствования»
(Казань, 2003 г.), Четвертой международной научно-технической конференции
«Повышение эффективности теплообменных процессов и систем (Вологда, 2004), Школе-
семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН
В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в
энергомашиностроении». (Казань, 2004-2008 гг.), Научно-практической конференции
«Эффективная энергетика» (Казань, 2004 г.), 12-th Enropean symposium on Improved Oil
Recovery (Казань, 2003 г.), Международной молодежной научной конференции
«Туполевские чтения» (Казань, 2004-2009 гг.), II Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2005 г.), XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломасообмена в энергетических установках", (Санкт-Петербург, 2007 г.), 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ» (Казань, 2007,2009г.), VIII международном симпозиуме «Энергоэффективность и энергосбережение», (Казань, 2007 г.), Международной научно-технической конференции "Водородная энергетика" (Москва, 2007г.), Международном симпозиуме "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2007г., 2008 г.), Конференции холодильной промышленности «ХолодЭкспо Россия - 2009» (Москва, 2009), Научно-технических семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева (1994-2009 г.).
Личный вклад автора состоит:
в постановке целей и задач диссертационной работы; разработке методики оценки эффективности теплонасосных установок с использованием программного комплекса термогазодинамических расчетов; разработке методов повышения эффективности элементов теплонасосных установок (теплообменных аппаратов, двигателей внутреннего сгорания); разработке методов повышения эффективности газовых тепловых насосов и газотурбинных установок за счет добавок воды и пара в газовый тракт; создании вычислительных и математических моделей ТНУ; разработке экспериментальных стендов и опытно-промышленных образцов элементов ТНУ и теплонасосных установок. Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором при научном консультировании Академика АН РТ, доктора технических наук, профессора Ю.Ф.Гортышова.1
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 96 печатных работ, включая 11 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикаций материалов диссертационных работ, 9 статей в центральных российских изданиях, получено 20 патентов и авторских
Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Мацу Э.Б. и кт.н. Дружинину A.M. за совместную работу по созданию программного комплекса и разработке методов повышения эффективности ДВС.
свидетельства РФ на изобретение и полезные модели, опубликовано 2 монографии, 8 учебно-методических изданий, из них 4 с грифом УМО, 15 тезисов и 31 материал докладов в Российских и зарубежных сборниках, включая 5 зарубежных.
Диссертация выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) в НИИ «ЭнергоЭффективных Технологий КГТУ им. А.Н.Туполева» в период с 1994 по 2010 г.
