Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современный уровень мирового развития теплонасосной техники предлагает потребителю широкий ассортимент установок различной конструкции, мощности и эффективности, конкретный выбор которых зачастую определяется целью и возможностями использования теплового насоса. Важным фактором, оказывающим влияние на все характеристики, а также на решение комплексной задачи их оптимизации, является выбор рабочего вещества (РВ) теплового насоса.
В свете ограничений, наложенных на производство и использование наиболее широко распространенных хладагентов международными соглашениями, ратифицированными РФ (Монреальский протокол в 1987 г. и Киотский протокол в 2004 г.), актуальным становится вопрос поиска новых РВ теплонасосной техники. Мировой тенденцией в этой сфере является переход на природные хладагенты, однако выбор приемлемых для этой цели веществ ограничен их физико-химическими и термодинамическими свойствами или требованиями к безопасности при их использовании.
В настоящей работе поиск новых РВ предполагается вести в области наиболее безопасных для человека природных хладагентов, а также фторорганических веществ, относящихся к классу фторуглеродов, и смесей на их основе, обладающих всеми необходимыми предпосылками для их эффективного использования в теплонасосных установках (ТНУ).
В последнее время публикуется значительное количество работ, посвященных анализу эффективности использования того или иного РВ в ТНУ. Однако не существует универсальной методики, позволяющей выбирать РВ установки на основе оперативного анализа, учитывающего большинство существующих требований. Опыт же экспериментального подтверждения представленных расчетных исследований практически отсутствует.
Таким образом, настоящая диссертационная работа посвящена поиску новых РВ, обеспечивающих наибольшую термодинамическую эффективность цикла ТНУ, и анализу условий их применения, а также разработке и экспериментальному исследованию реальных установок на таких веществах с целью подтверждения расчетных результатов.
Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности теплонасосных установок на новых рабочих веществах, использование которых удовлетворяет большинству существующих требований в этой области техники.
Ход исследования и структуру диссертационной работы определили поставленные задачи:
1. Проанализировать возможности повышения термодинамической эффективности циклов ТНУ; разработать методику сравнения термодинамической эффективности циклов ТНУ на различных рабочих веществах; выбрать рабочее вещество ТНУ.
-
Провести теплотехнические испытания ТНУ на традиционных рабочих веществах и на веществе, определенном результатами применения разработанной методики сравнения.
-
Выполнить комплексный анализ эффективности ТНУ на основе полученных характеристик экспериментальных установок на исследуемых рабочих веществах.
Научная новизна работы.
-
-
Определены и теоретически обоснованы такие необходимые условия высокой термодинамической эффективности сверхкритического цикла ТНУ на диоксиде углерода, как: включение в схему ТНУ низкотемпературных потребителей теплоты; комбинированная выработка теплоты и холода.
-
Разработана универсальная методика сравнения термодинамической эффективности обратных парокомпрессионных циклов установок (и теплонасосных, и холодильных) на различных РВ (чистых и смесевых хладагентах), базирующаяся на условии равенства температурных напоров в процессах подвода и отвода теплоты (между теплоносителем и рабочим телом в испарителе и конденсаторе) для всего ряда сравниваемых веществ при зафиксированных температурах теплоприемника и теплоотдатчика.
-
На основе результатов расчета и сопоставления термодинамической эффективности ряда индивидуальных и смесевых РВ ТНУ рекомендованы к внедрению композиции на основе фторуглеродов (R3110, R318) с добавками гексафторида серы (5-10 % R846) с использованием в цикле ТНУ регенерации.
-
Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд с оригинальной конструкцией теплообменных аппаратов для исследования энергетических и теплотехнических характеристик ТНУ на различных РВ.
-
Получены результаты испытаний экспериментального стенда ТНУ на традиционном РВ R22.
-
На основании проведенных испытаний экспериментального стенда ТНУ на R22 разработана конструкция регенеративного теплообменника для модернизации экспериментального стенда с целью проведения испытаний на альтернативном РВ - смесевой композиции RC318/R846 (95/5).
-
Получены результаты теплотехнических испытаний экспериментального стенда ТНУ на смесевом РВ RС318/R846 (94,08/5,92).
-
Получены результаты теплотехнических испытаний ТНУ мощностью 20 кВт на диоксиде углерода, подключенной к системе обратной циркуляционной воды (после конденсатора) теплоэлектроцентрали НИУ «МЭИ».
Практическая значимость исследования. Предложенный в работе методологический подход к выбору РВ направлен, прежде всего, на упрощение процедуры сравнения термодинамической эффективности применения того или иного хладагента в установке. Простота подхода определена минимальным набором исходных данных для оценки, что, однако, не приводит к ухудшению качества результата применения данной методики. Методика разработана для обратных парокомпрессионных циклов, поэтому является универсальной как для теплонасосных, так и для холодильных установок.
Разработана оригинальная схема ТНУ, на которую получен патент на полезную модель, позволяющая повысить термодинамическую эффективность установки за счет передачи части теплоты от потока хладагента после конденсатора через рекуперативный теплообменник низкотемпературному внешнему потоку теплоносителя, поступающему в испаритель.
Кроме этого, разработана оригинальная конструкция испарителя и конденсатора ТНУ, являющихся элементами экспериментального стенда, на которую также получен патент на полезную модель.
Результаты испытаний экспериментального стенда ТНУ на смесевом РВ RC318/R846 (94,08/5,92) получены впервые и представляют собой ту необходимую экспериментальную базу, которая позволяет не только в целом оценить энергетическую эффективность ТНУ при использовании данного РВ, но и в первом приближении выявить низкоэффективные элементы установки и модернизировать их.
Результаты испытаний ТНУ на диоксиде углерода позволяют оценить достоверность теоретических выводов, полученных в результате проведенного расчетного анализа.
Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании нового поколения ТНУ, работающих в составе систем тепло - и холодоснабжения жилых и административных зданий, а также технологических объектов различного назначения.
На защиту выносятся:
-
-
-
Универсальная методика сравнения термодинамической эффективности обратных парокомпрессионных циклов установок на различных РВ, базирующаяся на условии равенства температурных напоров между теплоносителем и РВ в испарителе и конденсаторе с фиксированными параметрами теплоносителей в теплообменниках.
-
Результаты анализа термодинамической эффективности различных схем ТНУ на новых рабочих веществах.
-
Использование в качестве РВ ТНУ зеотропных смесей на основе фторуглеродов (R3110, RС318) с добавками гексафторида серы (5-10 % R846) (с организацией внутренней регенерации теплоты в цикле).
-
Конструкция основных теплообменных аппаратов ТНУ с рабочими поверхностями, изготовленными по технологии деформирующего резания.
-
Результаты теплотехнических испытаний экспериментального стенда ТНУ на рабочих веществах: R22 и зеотропной смеси RС318/R846 (94,08/5,92).
-
Результаты теплотехнических испытаний ТНУ на диоксиде углерода для подогрева добавочной воды в составе ТЭЦ МЭИ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
- Всероссийской научно-практической конференции «Ползуновские гранты», Барнаул, 2008;
Шестой Всероссийской научно-технической студенческой конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии», посвященной 90-летию со дня рождения А.Г. Усманова, Казань, 2010;
Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» ИТАЭ-80, Москва, 2012;
VII ежегодной Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2012», Санкт- Петербург, 2012.
Связь с планами основных научно-исследовательских работ.
Результаты, полученные в ходе настоящей диссертации, являются частью исследования, проводимого в рамках работы над инициативным научным проектом 13-08-01221 «Расчетно-экспериментальное исследование перспективных циклов теплонасосных установок на неазеотропных смесевых рабочих веществах», выполняемым при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в т.ч. 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получено 2 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем работы.
Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности теплонасосных установок на новых рабочих веществах
-
-
-
