Моделирование и экспериментальное исследование теплонасосных установок на низкокипящих рабочих телах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Ермаков, Андрей Михайлович

• Ермаков, Андрей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ермаков, Андрей Михайлович

Список основных обозначений

Введение

Глава 1. Физические основы работы и классификация парокомпрессионных ТНУ.

1.1. Обзор развития парокомпрессионных теплонасосных установок.

1.2. Сравнительный анализ эффективности различных источников теплоснабжения.

1.3. Источники низкопотенциальной теплоты.

1.4. Обзор применения ТНУ за рубежом и в России

1.5. Рабочие тела ПТНУ, обзор, перспективы развития.

Глава 2. Математическая модель парокомпрессионной ТНУ.

2.1. Анализ существующих математических моделей.

2.2. Методики расчета основных теплообменных аппаратов в составе ТНУ.

2.2.1. Методика расчета испарителя теплонасосной установки.

2.2.2. Методика расчета кондесатора теплонасосной установки.

2.2.3. Методика расчета рекуператора теплонасосной установки.

2.3. Математическая модель ПТНУ в программном комплексе «Поток».

2.3.1. Математическая модель термогазодинамических процессов использующихся 80 в программном комплексе «Поток».

2.3.2. Расчет термодинамических параметров газообразного рабочего тела по 87 аппроксимационным уравнениям.

2.3.3. Особенности вычисления термодинамических параметров для смеси 90 жидкого и газообразного рабочих тел в программном комплексе «Поток».

2.4. Вычислительная модель в программном комплексе «Поток».

Глава 3. Разработка стенда для экспериментальных исследований парокомпрессионных 107 ТНУ.

3.1. Описание экспериментального стенда.

3.2. Система измерений экспериментального стенда.

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4. Оценка погрешности измерений на экспериментальном стенде.

Глава 4. Результаты аналитических и экспериментальных исследований ПТНУ.

4.1. Анализ и сравнение результатов экспериментальных и расчетных исследований.

4.2. Технико-экономический анализ существующих способов теплоснабжения с 139 помощью малых энергетических установок.

4.3. Разработка рекомендаций на проектирование парокомпрессионных ТНУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и экспериментальное исследование теплонасосных установок на низкокипящих рабочих телах»

Теплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и достаточно суровыми зимами требует весьма больших затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно на малых котельных), экономическая и экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение является одним из основных источников загрязнения крупных городов). Кроме того, высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей усугубляют негативные факторы, присущие традиционному теплоснабжению.

Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%. [1]

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм составляет одну аварию в год на 1 км длины, а для труб меньшего диаметра - около шести аварий. Если учесть, что общая протяженность тепловых сетей в России доставляет 650 тыс. км, а в полной замене нуждаются 300 тыс. км, становится очевидно, что строительство и поддержание тепловых сетей в рабочем состоянии требуют затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных. [2]

Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов.

Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-30° С) природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Тепловые насосы, в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом: если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии - 0,5 млн., в Западной Европе - 0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 %.

Наиболее широкое применение тепловой насос нашёл в домашнем теплоснабжении и кондиционировании воздуха, в особенности в США, где требуется круглогодичное кондиционирование: охлаждение в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос, решающий обе задачи, выпускается уже более 30 лет и является экономичным и надежным.

В Европе, где климатические условия таковы, что, по крайней мере, для индивидуальных зданий круглогодичное кондиционирование не нужно, более перспективной системой является одноцелевой тепловой насос. В сравнении с обычными системами центрального отопления его стоимость и эксплуатационные расходы находятся на приемлемом уровне.

Тепловой насос может использовать различные источники низкопотенциального тепла, отдавая его в конденсаторе при повышенной температуре потоку газа, жидкости или тепловому аккумулятору, жидкому или твердому. В большинстве случаев используется водяная система центрального отопления, в которой горячая вода циркулирует к радиаторам в каждой комнате, или воздушная система отопления, в которой нагретый воздух подается к каждой комнате по каналам. Широко применяются следующие комнатные нагреватели: радиаторы, аккумуляционные установки и конвекторы как дополнительные источники тепла. Температура в системах распределениятепла изменяется от 40 для воздушных систем до 100° С для водяных или паровых систем. Типичная температура воды около 75° С.

Поскольку эффективность теплового насоса сильно зависит от температуры конденсации, для тепловых насосов желательно снижение температуры распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например, с помощью панелей в полах, станет пригодной температура теплоносителя 50° С. Повышение расхода циркулирующего воздуха позволяет снизить его температуру до 35°С. Практическая реализация этих тенденций в новых зданиях сможет радикально изменить отношение к тепловым насосам.

Системы центрального отопления обычного типа с котельными внутри здания обеспечивают и все домашнее горячее водоснабжение. Это обстоятельство следует учитывать при конструировании тепловых насосов. Однако отопление требует больших затрат энергии, чем горячее водоснабжение, и, например, в Англии они соотносятся как 60-65 и 20% [1].

В Англии и других европейских странах наиболее распространена водяная система отопления, но там, где требуется круглогодичное кондиционирование, применяется распределение нагретого или охлажденного воздуха. Воздушная система хороша для вновь строящихся зданий, но при реконструкции она сложнее, чем водяная, где используются трубы небольшого диаметра для подачи воды от котла. Воздушная система требует каналов большого сечения, которые трудно устанавливать в существующих зданиях.

Как отопительное устройство тепловой насос не обязательно должен служить централизованной системой, обслуживающей несколько комнат. Вполне могут быть установлены индивидуальные кондиционеры в каждой комнате, каждый со своим компрессором и конденсатором, внешним или внутренним источником тепла для испарителя. В общем, тепловые насосы способны конкурировать с большинством обычных систем отопления и кондиционирования.

Помимо отопления и кондиционирования важной функцией теплового насоса, определяющей его применимость, является горячее водоснабжение. В большинстве отчетов об исследованиях роли тепловых насосов в будущем основным считается отопление, но одновременно отмечается, что горячее водоснабжение и восстановление тепла становятся все более важными по мере роста тенденции к строительству малоэнергоемких домов и "полностью интегрированных систем", основанных на тепловых насосах.

Однако при этом выпадает из виду основная проблема - применение тепловых насосов в уже существующих зданиях, проблема замены одной установки, дающей одновременно и горячее водоснабжение (центральной котельной), тепловым насосом, способным также одновременно решать обе задачи. Эта проблема связана с экономичностью использования низкотемпературного внешнего теплового источника для получения горячей воды высокой температуры.

Высокая стоимость электроэнергии препятствует её применению в широких масштабах для нагрева, и во многих случаях отопительная система включает тандем -тепловой насос и котёл на органическом топливе. При этом ТН даёт воду, нагретую до необходимой температуры.

Преимущества тепловых насосов:

• производят в 3-7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электроэнергии на привод компрессора

• применение ТН в 1,2-2,5 раза выгоднее самых эффективных газовых котельных;

• стоимость выработанного ТН тепла в 1,6-2,0 раза ниже стоимости централизованного теплоснабжения и в 2-3 раза ниже, чем в угольных и мазутных котельных малой и средней мощности;

• отсутствует загрязнение окружающей среды;

• не требуется значительная территория для котельной с подъездными путями и склада топлива;

• тепловой насос надёжен и прост в управлении.

Основной проблемой применения парокомпрессионных теплонаосных установок в России является внедрение ТНУ с низкой эффективностью, которая получается вследствие неправильного выбора рабочего тела, работы ТНУ на нерасчетном температурном режиме, внедрения ТНУ без предварительного технико-экономического расчета.

Целью работы является повышение эффективности использования ТНУ, для чего должны быть выполнены следующие задачи:

- Определить основные технико-экономические показатели, используемые для оценки эффективности работы парокомпрессионных теплонасосных установок.

- Определить основные внешние показатели, влияющие на эффективность парокомпрессионных теплонасосных установок.

- Провести теоретическое исследование теплофизических характеристик в зависимости от внешних параметров по традиционной методике.

- Провести теоретическое исследование теплофизических характеристик в зависимости от внешних параметров в программном комплексе «Поток».

- Создать экспериментальный стенд для апробации теоретических моделей расчета теплофизических и технико-экономических характеристик парокомпрессионных теплонасосных установок.

- Провести технико-экономические исследования эффективности применения парокомпрессионных теплонасосных установок в зависимости от их эффективности.

Разработать рекомендации на применение и проектирование парокомпрессионных теплонасосных установок.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Ермаков, Андрей Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана уточненная методика расчета теплофизических параметров парокомпрессионных теплонасосных установок с использованием апроксимационных уравнений (получены апроксимационные зависимости для термодинамических свойств рабочих тел ТНУ - p(t), h (p.t), s(p,t), r(t), c(t)).

2. Модифицирован программный комплекс «Поток» (разработаны математические модели: теплообменного аппарата с фазовыми переходами, дросселя)

3. Адаптирован для расчета парокомпрессионной теплонасосной установки программный комплекс «Поток».

4. Разработана вычислительная модель парокомпрессионной теплонасосной установки в программном комплексе «Поток», проведено численное исследование зависимостей теплотехнических параметров ТНУ от внешних параметров и видов рабочих тел.

5. Создан экспериментальный стенд для опытных исследований теплотехнических характеристик ТНУ с целью идентификации её вычислительной модели и проведены экспериментальные исследования теплотехнических характеристик ТНУ.

6. Получена модифицированная формула для определения эффективности ТНУ с повышенной точностью теплотехнических расчетов. ф = \2,28-<Г44'45-0,148

7. Получена полуэмперическая формула учета влияния внешних условий на эффективность работы ТНУ. -4.5——— ^ \

8. Разработаны рекомендации для проектирования и применения парокомпрессионных теплонасосных установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ермаков, Андрей Михайлович, 2007 год

1. Antonio Briganli. Тепловые насосы в жилых помещениях// АВОК, 2001, №№ 5,6.

2. Процент В.П., Радченко В.А. Коэффициент преобразования парокомпрессионных тепловых насосов//Теплоэнергетика, 1933, №3.

3. Горшков В.Т., Осипович C.B., Тарасов В.А. Перспективы развития теплонасосной техники в Чувашской Республике. Опьгг внедрения. // Энергоэффективность. Опыт. Проблемы. Решения, 2003, №2.

4. Процгнко В.П., Радченко В.А. Теплонасосные установки с электрическим приводом для горячего водоснабжения. // Электрические станции, 1937, №7.

5. Жидович И.С., Трутаев В.И. Системный подход к оценке эффективности тепловых насосов. // Новости теплоснабжения, 2001, №11.

6. Обзор рынка тепловых насосов в Швеции, Финляндии. // АВОК, 2002, №1.

7. Процент В.П. // Энергетическое строительство, 1994, №2

8. Васильев Т.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах. // АВОК, 2003, №2.

9. Инструкция по проектированию системы тепловых насосов. // Viessmann Werke GmbH & Со, 2000.

10. Гельперин Н.И. Тепловой насос.// Л.: Госна-учтехиздат, Ленхимсектор, 1931.

11. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения.// M.: Энергия, 1968.

12. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов.// М.: Энергия, 1979.

13. Быков A.B., Калнинь И.М. Холодильные машины и тепловые насосы. ИМ.: Агропромиздат, 1933.

14. Литовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы.// М.: Энергоатомиздат, 1989.

15. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. //М.: Издательство МЭИ, 1994.

16. Петин ЮМ. Опыт десятилетнего производства тепловых насосов в ЗАО "Энергия". // Энергетическая политика. Вып. 3, 2001.

17. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики. Справочник каталог.// М.: АО ВИЭН, 2000.18