Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и определение задач исследования 20
1.1. Повышение роли ТНв решении задач энергосбережения и охраны окружающей среды 20
1.1.1. Общая характеристи ка эффективности теплоснабжения 20
1.1.2. Актуальные направления развития теплоснабжающих систем с тепловыми насосами 25
1.1.3. Оценка ресурсного потенциала возобновляемых источников и проблем ею практического использования 27
1.2. Общая характеристика традиционных и перспективных ТН.. 30
1.3. Актуальные проблемы внедрения ТН в России 45
1.4. Подходы к оценке эффективности ТН и систем на их основе 49
1.5. Актуальные научные проблемы и направления исследований 52
1.5.1. Рабочие тела 53
1.5.2. Проблема «горячего дросселирования» 62
1.5.3. Схемные решения для теплоснабжения в России . 63
1.5.4. Многоступенчатые абсорбционные машины... 64
1.6. Постановка задач исследования 70
Глава 2. Сравнительный анализ эффективности теплопасосных систем на основе эксергетического метода 72
2.1. Оценка места и роли ТН в преобразовании различных по качеству потоков энергии 72
2.1.1. Функциональные особенности 72
2.1.2. Идеализированный цикл термотрансформатора 76
2.1.3. Оценка влияния темперагурных уровней источников 82
2.2. Оценка потенциала эксергии первичных энергоресурсов и низкопотснциальных источников тепла 87
2.3. Особенности эксергетнческого подхода к анализу термодинамической эффективности систем с ТН 91
2.3.1. Определение эксергетической эффективности на основе балансовых уравнений 91
2.3.2. Принцип неэквивалентности эксергии и эксергетических потерь 93
2.3.3. Эксергетические потоки и потери эксергии при сжигании топлива 96
2.4. Сравнительный анализ эффективности топливных котлов и АБТН со встроенной топкой 99
2.4.1. Эксергетические потери при теплоснабжении от водогрейного котла 99
2.4.2. Сравнительная оценка эксергетической эффективности одноступенчатого АБТН с топкой 103
2.4.3. Роль многоступенчатой регенерации раствора в повышении термодинамической эффективности АБТН 106
2.5. Сравнительная эффективность технологий использования эксергии топлива в теплоснабжении 107
Выводы по главе 2 111
Глава 3. Обоснование направлений повышения термодинамической эффективности рабочих циклов ГПСТН 113
3.1. Методики термодинамического и тепловых расчетов 113
3.1.1 Схема и термодинамический цикл 113
3.1.2 Пример расчета 116
3.2. Оценка внешних и внутренних потерь эксергии 122
3.3. Оценка собственных и технических потерь эксергии 130
3.4. Предложения по повышению термодинамической эффективности циклов с одноступенчатым сжатием 145
3.5. Сравнительный анализ эффективности циклов ПКТН со ступенчатым сжатием 152
3.5.1. Общий анализ цикла со ступенчатым сжатием 152
3.5.2. Цикл с внешней регенерацией тепла 154
3.6. Анализ положительных и отрицательных сторон внешней регенерации 155
3.7. Оценка эффективности регенеративных циклов ПКТН для различных рабочих тел 160
Выводы по главе 3 170
Глава 4. Простые методы оценки тсиломассоперсноса для неизотермической абсорбции и десорбции 172
4.1. Простой метод оценки тепломассопереиоса при неизотермической абсорбции 172
4.2. Моделирование стационарного испарения навески жидкости с примесями в сфероидальном состоянии 181
4.3. Моделирование нестационарного испарения навески жидкости с примесями в сфероидальном состоянии 185
4.4. Оценки влияния нерастворимых примесей на испарение навесок смесей в сфероидальном состоянии 190
4.5. Оценка влияния растворимых примесей на десорбцию растворов в сфероидальном состоянии 197
Выводы по главе 4 200
Глава 5. Экспериментальное исследование испарения рабочих тел ТН в сфероидальном состоянии 201
5.1. Методики исследования 201
5.2 Определение температур Лейденфроста 205
5.3, Тепловизионные исследования 206
5.4. Определение коэффициентов теплоотдачи и толщины парового слоя под испаряющейся навеской жидкости 214
5.5. Сравнительные исследования испарения навесок воды и водного раствора NaCl 219
5.6. Испарение однокомпонентних рабочих тел в сфероидальном состоянии 228
5.7. Исследование десорбции водно-солевых растворов 229
5.8. Рекомендации по интенсификации процессов десорбции водно-солевых растворов в генераторах АБ ГН 232
Выводы по главе 5 234
Глава 6. Повышение эффективности ТНУ 236
6.1. Анатиз факторов повышения эффективности 236
6.2. Сравнительное исследование эффективности работы ПКТН в составе моновалеитных и комбинированных теплоисточников 244
6.3. Обоснование использования АБТН с газовой топкой в качестве квартальных котельных 256
6.4. Разработки импортозамещающих ПКТН нового поколения 256
Выводы по главе 6 264
Глава 7. Схемные решения ТНУ 266
7.1. Сравнительный анализ теплоносителей низкопотенциального тепла в сибирском регионе 266
7.2. Схемные решения ТНУ на базе подземных вод хозяйственно-питьевого назначения 271
7.3. ТНУ на базе неочищенных и условно чистых сточных вод 275
7.4. Совместное тепло - и хладоснабжение 281
7.5. Схема ТНУ на базе воды с предельно низкими температурами в Байкальском музее ИЫЦСОРАН 284
Выводы по главе 7 287
Заключение 288
Список использованных источников 293
Приложения 330
- Оценка ресурсного потенциала возобновляемых источников и проблем ею практического использования
- Сравнительная оценка эксергетической эффективности одноступенчатого АБТН с топкой
- Предложения по повышению термодинамической эффективности циклов с одноступенчатым сжатием
- Моделирование нестационарного испарения навески жидкости с примесями в сфероидальном состоянии
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективное замещение с помощью тепловых насосов (ТН) в системах промышленного и гражданского теплоснабжения ископаемых видов топлива на тепло возобновляемых и вторичных источников является одним из практических направлений энергосбережения и охраны окружающей среды. Тепловая мощность действующего в мире парка ТН оценивается в 250 ГВт с годовой выработкой 1,0 млрд. Гкал тепла, что соответствует замещению ископаемых видов топлива в объеме до 80 млн. т у. т./год. По прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 году в 75 % всех систем теплоснабжения в развитых странах будут использоваться ТН. В России установленная мощность теплонасосных установок (ТНУ) всех типов не превышает 65 МВт, что делает актуальным в условиях экономического курса страны на энергосбережение и энергоэффективность скорейшее устранение имеющегося отставания в этой сфере.
Однако, опыт практического применения ТН в развитых странах с мягким климатом, где для отопления широко используются тепло окружающего воздуха и грунта, малоприменим для России и особенно в Сибири. Здесь для работы ТН можно использовать практически неограниченные ресурсы природного и техногенного низкопотенциального тепла водных источников, в частности, поверхностных источников с температурой до 5С. Однако, при этом коэффициент преобразования ТНУ по причине больших перепадов температур в испарителе и конденсаторе снижается до предельных <^ = 2,5, определяющих грань конкурентоспособности с лучшими традиционными теплоисточниками. С развитием малоэтажного строительства актуальными становятся задачи по разработке, созданию и апробации эффективных импортозамещающих паро- компрессионных ТН (ПКТН) теплопроизводительностью до 100 кВт и конкурентоспособных схем ТНУ на их основе, адаптированных к сибирским природно-климатическим условиям. Априори найденные решения будут применимы в других регионах России с более мягким климатом.
В качестве перспективных для широкого промышленного применения в мире рассматриваются мобильные абсорбционные бромисто-литиевые ТН (АБТН) со встроенной топкой и многоступенчатой регенерацией раствора, способные по энергетической эффективности превзойти ПКТН и традиционные теплоисточники. К разработке прототипов уже приступили ведущие зарубежные фирмы, что может привести к смене мировых приоритетов на рынке оборудования для отопления и кондиционирования. Ключевой проблемой исследований в этой области является разработка высокотемпературных генераторов с температурами поверхности нагрева свыше 200 С, при которых возможен кризис теплообмена при десорбции растворов.
Повышение эффективности ПКТН и АБТН за счет совершенствования их рабочих циклов и схем составляет основу современных исследований в области теплонасосных технологий. В настоящее время идеология создания ТН базируется на масштабном опыте разработки холодильных машин (ХМ), что не всегда оправдано, т. к. температурные режимы работы, охлаждаемые и нагреваемые среды, рабочие тела и термодинамические циклы, условия конкурирования на рынке тепла и холода для ТН и ХМ в общем случае сильно различаются. Для оценки их эффективности используются различные показатели, недостаточно полно отражающие специфику многих перспективных приложений, в частности, при совместной выработке тепла и холода в химических технологиях, при охлаждении парного молока с выработкой тепла на ГВС, при сопряжении АБТН с ТЭЦ в рамках низкотемпературных систем централизованного теплоснабжения и т.д. Это делает необходимым разработку и использование универсальных подходов для анализа и поиска решений по повышению эффективности ТН различного типа и теплоснабжающих систем на их основе.
В целом термодинамическое совершенство обратных циклов ТН в значительной степени определяет технико-экономическую и экологическую эффективность теплонасосных технологий. Это особенно актуально для разработки децентрализованных систем теплоснабжения в рекреационных зонах, где имеются экологические ограничения на применение традиционных технологий получения тепловой энергии. К таким территориям в Сибири относятся Прибайкалье и Алтай, где государством планируется развитие особых экономических зон туристско-рекреационного типа (ОЭЗ ТРТ). Научное обоснование концепции применения ТН в таких зонах отсутствует.
Целью работы является комплексное исследование эффективности тепловых насосов нового поколения и разработка научно-практических основ их применения с учетом российских природно-климатических условий.
Решаемые задачи:
разработка эксергетического подхода к анализу эффективности ТН, как термодинамических систем, в которых в процессе преобразования различных по качеству потоков энергии сопрягаются прямой и обратный термодинамические циклы;
разработка способов минимизации термодинамических потерь и повышения эффективности циклов ПКТН в условиях больших перепадов температур в испарителе и конденсаторе;
разработка методов оценки и интенсификации тепло и массообмена применительно к процессам неизотермической абсорбции и десорбции в основных аппаратах АБТН нового поколения;
проведение сравнительных экспериментальных исследований по изучению неизотермической десорбции навесок водно-солевых растворов применительно к разработке высокотемпературных генераторов для АБТН со встроенной топкой и многоступенчатой регенерацией раствора;
разработка импортозамещающих ПКТН нового поколения для утилизации возобновляемого тепла природных водных источников и проведение их апробации в условиях рекреационных зон Сибири;
определение условий и границ энергоэффективного сопряжении ТНУ и традиционных энерго- и теплоисточников;
разработка и апробация в природно-климатических условиях Сибири комплекса эффективных схем ТНУ на базе наиболее распространенных и технически доступных возобновляемых и вторичных источников тепла, как практической основы для региональных и отраслевых программ энерго- и ресурсосбережения.
Достоверность полученных результатов подтверждается комплексным методом изучения, опирающимся на известную методологическую основу, сравнительным анализом с известными в литературе результатами других авторов, а также их широкой апробацией.
Научная значимость и новизна работы состоит в следующем:
развит эксергетический подход к исследованию теплонасосных систем, учитывающий их системные связи с внешним окружением, позволивший на их основе предложить новые решения по повышению термодинамической эффективности рабочих циклов ТН для широкого диапазона изменения рабочих параметров;
обоснован подход по минимизации термодинамических потерь от «горячего дросселирования» в ПКТН, основанный на использовании процессов внутри- цикловой и внешней регенерации «тепловых стоков» рабочих циклов;
предложен новый метод оценки влияния неизотермичности на процессы мас- сопереноса при абсорбции и десорбции, отличающийся широкими возможностями для анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований;
развита теоретическая модель испарения навесок жидкости в сфероидальном состоянии, позволившая оценить влияние нерастворимых и растворимых примесей на устойчивость кризиса теплообмена;
разработан комплекс новых экспериментальных методик для изучения процессов испарения (десорбции) навесок однокомпонентных жидкостей, растворов и смесей в сфероидальном состоянии, позволивший на основании прямых измерений их текущего веса установить количественные зависимости тепло -и массопереноса при кризисных и переходных режимах теплообмена;
впервые получены экспериментальные данные по десорбции навесок водно- солевых растворов в сфероидальном состоянии в широких диапазонах концентраций и температур греющей поверхности, позволившие количественно установить закономерности нарастания неустойчивости пленочного режима испарения с ростом относительной концентрации соли;
развит подход к оценке эффективности комбинированных теплоисточников на базе ТН, позволивший предложить варианты их оптимальной структуры;
предложены научно обоснованные эффективные схемы ТНУ, адаптированные к экстремальным условиям работы в сибирских природно-климатических условиях.
Положения, выносимые на защиту:
методы, критерии и результаты комплексного анализа эффективности ТН;
методики и результаты экспериментального исследования испарения одно- компонентных жидкостей и водно-солевых растворов в сфероидальном состоянии;
методологические подходы по оценке совместно протекающих процессов те- пломассопереноса в аппаратах АБТН;
схемы ТНУ, адаптированные к природно-климатическим условиям Сибири;
рекомендации по повышению эффективности работы ТН и теплоисточников на их основе.
Практическая значимость и реализация результатов.
Основные положения исследования отражены в коллективной монографии «Исследования и разработки СО РАН в области энергоэффективных технологий» (Новосибирск, 2009 г).
Результаты работы стали основой для совершенствования ПКТН тепло- производительностью от 60 до 400 кВт и схем ТНУ, адаптированных к природно-климатическим условиям Сибири, в частности, в рекреационной зоне Прибайкалья для децентрализованного отопления здания Байкальского музея Иркутского научного центра СО РАН с использованием возобновляемого тепла (3... 7С) воды озера Байкал.
Рекомендации доведены до практической реализации при разработке и создании в течение 2002-2009 гг теплонасосных теплоисточников на 7 промышленных объектах в различных городах и населенных пунктах сибирского региона (Новосибирск, Барнаул, Горно-Алтайск, Новокузнецк, Мирный, поселки в Новосибирской и Иркутской областях).
На базе ОАО «Машзавод» (г. Чита, 2009 г) результаты исследования были использованы при разработке прототипа серийного образца импортозамещающего ПКТН номинальной теплопроизводительностью 70 кВт, а также других термотрансформаторов, предназначенных для создания экологически чистых систем отопления в природно-климатических условиях Сибири.
Рекомендации и прикладные результаты исследования использованы при разработке целевых программ: региональной программы по комплексному использованию субтермальных подземных вод для теплофикации и водоснабжения в западных районах Новосибирской области (отчет ОАО «Новосибирскгео- логия», 2003 г, № госрегистрации 22-02-19/1), совместной программы Администрации Забайкальского края и Сибирского отделения РАН «Научное и технологическое обеспечение социально-экономического развития Забайкальского края в 2010-2014 годах» (Чита, 2009г) по направлениям «Энергосберегающие технологии и возобновляемые источники энергии» и «Машиностроение».
Материалы работы использованы в лекционных курсах «Инновационные производственные технологии» (Новосибирск, НГТУ - 2006-2010гг), «Современное тепловое оборудование предприятий и организаций» (Новосибирский филиал ФГОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации» - 2009,2010г).
Личный вклад. Автором выполнены анализ литературных источников и осуществлена постановка задач исследования, разработаны все экспериментальные методики, получены экспериментальные данные и произведена их обработка, сформулированы выводы по работе; при непосредственном участии разработаны ТН, схемы ТНУ и произведена их апробация. Соискатель являлся ответственным исполнителем исследовательских проектов и программ по тематике диссертационной работы. Научная проблематика исследования разрабатывалась при участии научного консультанта - академика РАН В. Е. Накорякова, которому диссертант благодарен за формирование комплексного подхода к изучению темы и всестороннюю поддержку при апробации результатов.
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы были апробированы на 22 семинарах и конференциях, в том числе: на Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005г), на Семинарах ВУЗов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (Владивосток, 2005 г; Иркутск, 2007 г; Красноярск, 2009г), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2007, 2008 г), на международном круглом столе «Энерго- и ресурсосбережение в XXI веке» - пленарный доклад (Новосибирск, 2007 г), на Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007 г), международной научно- практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург , 2007г), на международных научно-практических конференциях «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2006, 2007 г), «Обеспечение безопасности питьевого водоснабжения и водоотведения» (Новосибирск, 2006 г), «Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов сибирского региона» (Новосибирск, 2006 г), «Обеспечение экологической безопасности систем водоснабжения и водоотведения Новосибирска и городов сибирского региона» (Новосибирск , 2008 г), «Современные технологии обеспечения надежности систем водоснабжения и водоотведения» (Новосибирск, 2005 г), на международном семинаре «Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе» (Новосибирск, 1997 г), на международном симпозиуме «Ресурсо -и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск, 2005 г), на международном конгрессе «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск , 2004 г), на конференции «Перспективы развития малой энергетики в Алтайском крае» (Бийск, 2005 г).
Кроме того, результаты обсуждались на ежегодных итоговых семинарах по подведению итогов целевой программы «Энергосбережение СО РАН» (Новосибирск, 2005-2008 гг), семинаре кафедры технической теплофизики Новосибирского государственного технического университета (2010г), семинарах лаборатории процессов переноса и отдела технической теплофизики Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (2010г), в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (2009г), на заседаниях Ученого совета Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в период обучения диссертанта в очной докторантуре по специальности 01.04.14 -теплофизика и теоретическая теплотехника.
Работа выполнена при поддержке целевых программ и научных школ:
Научной школы академика В. Е. Накорякова НШ-8888.2010.8 «Процессы тепло - и массопереноса в энергетических и энергосберегающих установках»;
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013гг» (гос. контракт № 02.740.11.0054) по теме «Исследования термодинамических процессов и тепломассообмена в аппаратах низкотемпературной и водородной энергетики»;
Программы «Энергосбережение СО РАН» в 2000-2008 гг;
Программы импортозамещения СО РАН, 2009 г;
Программы экспедиционных работ СО РАН в 2006-2007 гг;
Целевой программы «Внедрение тепловых насосов на объектах ТЭК Новосибирской области в 1999-2002 гг»
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных литературных источников из 360 наименований, приложения. Диссертация содержит 292 страницы основного текста, 97 рисунков, 24 таблицы.
Публикации. По теме работы опубликовано 29 научных работ, в том числе одна монография, 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 2 статьи в общетехнических журналах, 14 публикаций в сборниках материалов и трудах конференций.
Оценка ресурсного потенциала возобновляемых источников и проблем ею практического использования
Пятая глава содержит подробное описание авторских методик и новых результатов исследования по сравнительной динамике динамике испарения навесок чистых жидкостей и водно-солевых растворов на горизонтальной поверхности нагрева. Предложен новый тип высокотемпературного генератора для работы в условиях субкризисного кипения. В шестой главе выполнен сравнительный анализ энергетической эффективности теплонасосньгх и традиционных теплоисточников. Показаны новые возможности теплонасоскых технологий в централизованном теплоснабжении. В седьмой главе представлены целостным пакетом апробированные в природно-климатических условиях Сибири схемы ТНУ мощностью от 60 до 1600 кВт на основе импортозамещающих ПКТН единичной теплопроизводительностью от 60 до 400 кВт, использующие иизкопотенциальное тепло водных источников и имеющие большой потенциал практического внедрения в российских природно-климатических условиях. В заключении дана общая характеристика итогов работы и представлены основные выводы по результатам диссертации. В приложении приведены авторские методики расчета на основе показателей энергетической эффективности сравнительной эколого экономической эффективности теплонасосных систем, а также материалы, подтверждающие практическое внедрение результатов настоящего исследования. Личный и клал. Автором выполнены анализ литературных источников и осуществлена постановка задач исследования, разработаны все экспериментальные методики, получены экспериментальные данные и произведена их обработка, сформулированы выводы по работе; при непосредственном участии разработаны ТЫ, схемы ТНУ и произведена их апробация. Соискатель являлся ответственным исполнителем исследовательских проектов и программ по тематике диссертационной работы- Научная проблематика исследования разрабатывалась при участии научного консультанта - академика РАН В. Е. Накорякова, которому диссертант благодарен за формирование комплексного подхода к изучению темы и всестороннюю поддержку при апробации результатов. Положения, выносимые на защиту: - методы, критерии и результаты комплексного анализа эффективности ТН; - методики и результаты экспериментального исследования испарения однокомпонентных жидкостей и водно-солевых растворов в сфероидальном состоянии; - методологические подходы по оценке совместно протекающих процессов тепломассопереыоса в аппаратах АБТН; схемы ТНУ, адаптированные к природно-климатическим условиям Сибири; рекомендации по повышению эффективности работы ТИ и теплоисточников на их основе. Связь с научными и целевыми программами. Работа выполнена при поддержке целевых программ и научных школ: - Научной школы академика В. Е. Накорякова НШ-8888.2010.8 «Процессы тепло - и массопереноса в энергетических и энергосберегающих установках»; - ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013го (гос. контракт № 02.740.11.0054) по теме «Исследования термодинамических процессов и тепломассообмена в аппаратах низкотемпературной и водородной энергетики»; - Программы «Энергосбережение СО РАН» в 2000-2008 гг; - Программы импортозамещения СО РАН, 2009 г; - Программы экспедиционных работ СО РАН в 2006-2007 гг; - Целевой программы «Внедрение тепловых насосов на объектах ТЭК Новосибирской области в 1999-2002 гт» Апробации работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы были апробированы на 22 семинарах и конференциях, в том числе: на Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005г), на Семинарах ВУЗов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (Владивосток, 2005 г; Иркутск, 2007 г; Красноярск, 2009г), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2007, 2008 г), на международном круглом столе «Энерго- и ресурсосбережение в XXI веке» -пленарный доклад (Новосибирск, 2007 г), на Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007 г), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург , 2007г), на международных научно-практических конференциях «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2006, 2007 г), «Обеспечение безопасности питьевого водоснабжения и водоотведения» (Новосибирск, 2006 г), «Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов сибирского региона» (Новосибирск, 2006 г), «Обеспечение экологической безопасности систем водоснабжения и водоотведения Новосибирска и городов сибирского региона» (Новосибирск , 2008 г), «Современные технологии обеспечения надежности систем водоснабжения и водоотведения» (Новосибирск, 2005 г), на международном семинаре «Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе» (Новосибирск, 1997 г), на международном симпозиуме «Ресурсо -и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск, 2005 г), на международном конгрессе «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск, 2004 г), на конференции «Перспективы развития малой знсрікггики в Алтайском крас» (Бийск, 2005 г).
Кроме того, результаты обсуждались на ежегодных итоговых семинарах по подведению итогов целевой программы «Энергосбережение СО РАН» (Новосибирск, 2005-2008 гг), семинаре кафедры технической теплофизики НГТУ (20 Юг), семинарах лаборатории процессов переноса и отдела технической теплофизики Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (2010г), в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАМ (2009г), на заседаниях Ученого совета Института теплофизики им. С.С. Кутателадзс СО РАН в период обучения диссертанта в очной докторантуре по специальности 01.04.14 -теплофизика и теоретическая теплотехника.
Сравнительная оценка эксергетической эффективности одноступенчатого АБТН с топкой
В качестве одного из основных направлений совершенствования теплоснабжающих систем проявляется тенденция перехода на низкотемпературные системы отопления потребителей с отказом от качественного регулирования (по температуре) отпуска тепла и переходу на количественное регулирование (по расходу) в децентрализованных системах [229,232,242,244,246,276,282], а также работу на наиболее НИЗКИХ по температуре отборах от турбин ТЭЦ и использование в качестве мобильных пиковых догревателей тепловых насосов со снижением температуры обратной воды до 30С и ниже в централизованных системах теплоснабжения 1,13,27,29,30,49,50,55,66,72,87,89,92,93,128,132,134,139,151 ,192,210,212-215, 234,245,246,249,261,297,308,323,329,335,337]. Это позволит устранить исторический антогонизм между централизованным и децентрализованным теплоснабжением. Необходимо также учесть то, что высокая температура отопительных приборов может нанести вред здоровью .Это требует ограничения по санитарным нормам [28,274] максимальных температур подачи теплоносителя до разумных 70...75С для минимизации вредных выделений от термического разложения органической пыли и полимерных материалов.
Положительную роль для широкого практического использования ТН могут сыграть системные преимущества теплонасосных технологий [74]: 1. Возможность расширения ресурсной базы теплоснабжения, делающие ее менее зависимой от поставок ископаемых топливных ресурсов, что весьма важно в условиях дефицита и растущей стоимости топлива. 2. Рациональное использование электроэнергии з системах теплоснабжения, особенно в часы ночных провалов потребляемой мощности. 3. Более широкое понимание централизации теплоснабжения. Применение ТН с электроприводом не сокращает централизацию теплоснабжения, а переводит ее на более высокий качественный уровень, присущий электроснабжающим системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настояшее время теряется до 20% потребляемой теплоты. 4. Для России, где традиционно в теплоснабжении высока роль ТЭЦ, ТН могут эффективно использоваться непосредственно в действующих теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они моїут применяться для снижения температуры обратной сетевой воды с обеспечением дополнительной выработки электроэнергии по экономичному теплофикационному циклу, а также в системах оборотного водоснабжения для улучшения работы градирен. Перспективно для этих целей использование внутриквартальньгх установок на базе АТН с газовой топкой. 5. Свобода выбора привода для ТН. Электропривод является самым распространенным устройством, связывающим ТН с энергосистемой напрямую. Однако в конкретных условиях города в качестве привода для ТН могут применяться детандер-генераторные установки, использующие избыточное давление природного газа в газоснабжающей системе, небольшие гидроэнергетические установки, использующие избыточное давление воды в системе городского водоснабжения и водоотведения вследствие разницы геодезических отметок местности, ветроэнергетические установки, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. 6. Возможность использовать ТН для гибкого регулирования структуры тошшвопотребления города и отдельных регионов при переходе от газовых технологий к угольным. 7. Связь со смежными областями народного хозяйства. В промышленности, ТН производят тепло, охлаждая технологические потоки, то есть совмещают функции нагревательных и охлаждающих устройств, что снижает энергозатраты па производство промышленной продукции. Развитие экологически чистого теплоснабжения в зонах рекреации и на территории особо охраняемых природных территорий. Экологический фактор в рекреационных зонах является одним из определяющих системообразующих факторов социально-экономической деятельности, направленной на сохранение исходного природного многообразия флоры и фауны, здоровья населения нашей страны. источников и проблем его практического использования Стимулом для широкого практического применения ТН являются практически неограниченные ресурсы источников тепла низкого (до 40С) температурного потенциала (НИТ), не представляющие ценности для прямого коммерческого использования. Россия располагает практически неограниченными запасами низкопотенциальных источников тепла, которые сильно различаются по температуре, объемным расходам, химическому и фракционному составу. Приводимые в литературе [22,59,113,129,130,147,223,309, 313] и источниках статистической отчетности данные по различным видам низкопотенциальных источников имеют существенные различия, что позволяет выполнить только экспертные оценки потенциалов замещения ископаемых видов топлива.
Предложения по повышению термодинамической эффективности циклов с одноступенчатым сжатием
Имеется огромное количество справочных изданий и статей, в которых представлены данные о количестве продаж используемых в мире ТН. В 2007 году глобальный рынок ТН достиг отметки 477 000 реализованных систем, причем рыночная доля Китая насчитывает 24,8% от этого количества. Совместно с Францией, Швецией и Германией эти страны удерживают 82% общего объема глобального рынка ТН [54]. Малые бытовые системы мощностью менее 5 кВт типа «воздух-вода» являются хитом продаж. В мире на конец прошлого века было установлено порядка 90 млн. ТН всех типов, из которых 57 млн. приходились на долю Японии, 13.5 млн. на долю США, 10 млн.- Китая, около 4,3 млн. на долю европейских стран. Продажи теллонасосной техники в мире достигают 1 млн. в год. Почти 80 % установленных в Европе и США ТН типа «воздух-воздух» используют в качестве источника низкопотенциалыюй теплоты наружный воздух, что обусловлено потребностями кондиционирования в относительно мягких природно-климатических условиях. Для России более интересен опыт скандинавских стран. В Швеции ТН различных типов обеспечивают около 50 % всей вырабатываемой тепловой энергии. В стране получили развитие централизованные системы теплоснабжения от крупных теплонасосных станций (ТНС) мощностью от 5,0 до 80 МВт, работающих на теплоте бытовых и промышленных стоков, грунтовых вод, озерной и морской воды. Наиболее крупной является стокгольмская ТНС мощностью 150 МВт на базе 6 турбокомпрессорных ТН, для которых источником низкопотенциального тепла является вода Балтийского моря с температурой в зимнее время 4С. Крупные ТНС также установлены в других странах Европы.
Создание крупных ТНС в странах с развитыми рыночными отношениями является выгодным по экономическим соображениям. Установленная мощность отдельных ТН влияет на полную стоимость ТНС. Увеличение их единичной тепловой мощности с 10 до 100-130 кВт и до 10 000 кВт и более приводит соответственно к снижению удельной стоимости ТНС с 670-1200 до 600-700 и 200-300 долларов США/кВт установленной мощности. В отличие от западных стран в России крупные ГНС не могут составить достойную альтернативу ТЭЦ с комбинированным способом выработки тепловой и электрической энергии в пределах зоны действия централизованных систем теплоснабжения. Существующие подходы к расчету тарифов на тепло и электроэнергию не отражают действительного уровня затрат энергии, что снижает конкурентоспособность ТНС в условиях формирующегося рынка ТН в России. Поэтому российский путь развития теплонасосных технологий имеет коренные отличия от опыта западных стран.
Активное внедрение ПКТН для автономных систем теплоснабжения на промышленных и гражданских обьектах началось с конца 80-х годов прошлого века. Основные функции разработчика этого оборудования выполнял ВНИИхолодмаш (г. Москва), а выпуск экспериментальных партий машин НТ-80 был организован на экспериментальном заводе «Красный факел» [52,53,243,251]. В Институте теплофизики СО АН СССР (директор академик В. Е. Накоряков), были созданы лаборатория низкопотенциальной энергетики (заведующий к.т.н. Ю.М. Петин) и сектор энергосберегающих технологий (к.т.н. А.В. Попов), на базе разработок которых в дальнейшем получили развитие малое предприятие «Энергия» и ряд коммерческих фирм в Новосибирске: ЗАО «Энергия», ООО «Теплонасос», ООО «СКБ ИЛИ», ООО «Теплосиб» и ООО «ОКБ Теплосибмаш», специализирующиеся на выпуске и внедрении ПКТН и АБТН [48,172,230,231,236,239,252,262]. В области создания АБТН практически единственной отечественной фирмой является ООО «ОКБ Теплосибмаш» [252], которой произведены всего несколько опытных образцов теплонасосной техники на огневом обогреве одноступенчатого генератора. Недостатком такой техники является достаточно высокий уровень температур НИТ (более 20С), при котором возможна его эффективная работа.
Отметим отправные моменты уровня ПКТН и технологий теплоснабжения на их основе на начало настоящего исследования: 1) Наиболее крупная российская фирма ЗАО «Энергия» установила за 15 лет около 70 ТН общей тепловой мощностью 40 МВт. Общее количество установленных ТН более чем 20 российскими и иностранными организациями составляет немногим более 50 МВт. 2) В отличие от западных стран отсутствуют отечественные ПКТН большой мощности. Наиболее крупный - НТ-3000 производства ЗАО «Энергия», (г Новосибирск) на базе морально устаревшего винтового маслозаполнеиного холодильного компрессора ВХ-1400 производства «Пензкомпрессормаш». 3) В качестве основного рабочего тела применяется R-12, обеспечивающий нагрев теплоносителя системы отопления на уровне не более 65С. Пока единственным является опыт применения R-142b, позволяющим достичь температур нагрева на уровне 70...75С. 4) Российские ТН создаются на базе серийных холодильных машин, что предопределяет низкие показатели работы в теплонасосном режиме эксплуатации. 5) Используются водные источники тепла с температурой более 5... 10 С, специалистами [224,236] декларируется практическая бесперспективность использования в ТНУ источников с более низкой температурой. 6) Отсутствует отечественное производство наиболее востребованных ТН малой мощности (10... 100 кВт), которые в настоящее время нужны для энергосберегающих и экологически чистых систем теплоснабжения в малоэтажном строительстве, для автономного отопления отдельных промышленных и гражданских объектов. 7) Фрагментарный характер применения ТН на фоне отсутствия серийного производства отечественных ТЫ не позволяет дать научно обоснованную комплексную оценку эффективности их применения в природно-климатических и экономических условиях России для утилизации тепла возобновляемых источников.
Моделирование нестационарного испарения навески жидкости с примесями в сфероидальном состоянии
Отметим основные моменты этого важного методического исследования, а также следствия из анализа его результатов. В основу методики положен базовый обратимый теоретический цикл с одноступенчатым сжатием по изоэнтропе из состояния сухого насыщенного пара при давлении кипения рабочего тела Р0 и расширения конденсата рабочего тела по изоэнтальпе из состояния насыщенной жидкости при давлении конденсации Рк- Эти циклы рассматриваются в качестве внешне обратимых и первичная оценка их эффективности с учетом потерь при дросселировании и перегреве пара в процессе сжатия (см. рис. 1.16) определяет их отклонение от идеальных циклов (см. рис. 1.17).
Дальнейший учет внешней необратимости за счет теплообмена между рабочим телом и источниками позволяет определить отклонения базовых циклов от идеальных. Переход к реальным циклам производится через учет влияния переохлаждения конденсата рабочего тела перед дросселированием и регенеративного обмена теплом между потоками холодного пара перед компрессором и горячего конденсата на выходе из конденсатора. Это общепринятая методология анализа на основе идеализированных термодинамических циклов (180,187189,198,206,220,222,238,264,340]. Однако, при всей ее наглядности для определения относительных потерь в цикле она не позволяет обозначить принципиально новые подходы к совершенствованию реальных циклов.
Авторами [149] отмечено, что в отличие от циклов на моновеществах в циклах на зеатропных смесях переохлаждение жидкости после конденсатора (перед дросселем) приводит к повышению давления кипения по сравнению с давлением базового цикла. Положительный эффект от применения зеатропных смесей заключается в повышении среднего давления кипения для реальных циклов, что приводит к снижению работы сжатия и увеличению коэффициента преобразования цикла. Для реальных циклов с одноступенчатым сжатием эффективность возрастает при работе по схеме с регенератизным теплообменом, по схеме с переохлаждением конденсата сторонним источником, по схеме с переохлаждением и регенеративным теплообменом.
В связи с этим отмстим важнейшие результаты работы исследований Калнипя И.М. и Фадекова К.Н. [1491: - цикл с переохлаждением всегда энергетически выгоден; - схемы с двухступенчатым сжатием (схема с экономайзером) обладает более высокой энергетической эффективностью по отношению к циклам с одноступенчатым сжатием. Отметим также, что ведущие зарубежные фирмы, в частности такие известные фирмы, как Bitzer и Copeland, выпускают холодильные винтовые и спиральные компрессоры с экономайзерами [24, 263]. Однако, следует указать, что авторами [149] при выводе показателей сравнительной эффективности различных циклов введено допущение о малой величине перегрева при сжатии хладагентов, что противоречит практике применения ТН и на что указывали в своих работах основоположники обратных термодинамических циклов Мартыновский В. С. и Вродянский В. М. [187]. Полученные ими многочисленные соотношения нуждаются в экспериментальной проверке на реальных рабочих телах в циклах с одноступенчатым и двухступенчатым сжатием, после чего могут быть рекомендованы для разработки математических моделей расчета ТИ нового поколения, работающих по циклу Лоренца.
Для развития прикладных исследований в области поиска оптимального компромисса между термодинамическими и в процессах переноса теплофизическими характеристиками зеатропных смесей фреонов в теплонасосном цикле Лоренца для выделенных сочетаний хладагентов имеются хорошие перспективы (см. табл. 1.5). В Институте СО РАН под научным руководством академика В. Е. Макорякова для исследования этой задачи создан экспериментальный стенд с герметичным хладоновым контуром на основе энергосберегающего спирального компрессора с промежуточным впрыском пара и современного высокоэффективного теплообмен ного оборудования на миииканальных структурах.
Переход на рабочие тела природного происхождения является главным направлением развития теплонасосной техники в свете ужесточения экологических требований. Однако, объективно должны быть учтены их термодинамические, теплофизическне и эксплуатационные особенности. Аммиак (R-717). Имеет самую высокую удельную энергетическую эффективность, но горюч, взрывоопасен, токсичен. Может применяться в промышленности, но не вблизи жилых массивов. Эти свойства не допускают его применение в качестве рабочих тел в рекреационных зонах, несмотря на отсутствие его прямого воздействия на озоновый слой и парниковый эффект. Высокие давления в контуре (более 2,0 МПа), необходимые для нагрева теплоносителя стандартных систем отопления, а также высокая коррозионная активность к медьсодержащим материалам, требуют разработки специального компрессорного и теплообменного оборудования при его использовании в качестве рабочего тела ПКТН.
Изобутан, пропан и др. углеводороды (R-600a, R-290 и др. соединения СпНт ) Имеют относительно хорошие термодинамические свойства, дешевы и доступны, но горючи и взрывоопасны. Не воздействуют на озоновый слой и не создают парниковый эффект.
