Характеристики теплонасосного режима гибридного термотрансформатора с использованием естественных источников теплоты Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.577:621.517

В. М. АРСЕНЬЕВ,канд. техн. наук, профессор М. И. ПРОЩЖО, жженех

B. Н. КОЗІШ,кбнд. техн.наук

C. К. БУЯНКВ , студ ент

Оусдгксус,рст]^(^]^]ный университет, г. Сумы

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОНАСОСНОГО РЕЖИМА ГИБРИДНОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕСТЕСТВЕННЫХИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ

В статье рассмотрены режимные и энергетические характеристики теплонасоного режима работы гибридного термотрансформатора (ГТТ) на базе струйного термокомпрессорного модуля (СТК-модуля) для целей горячего водоснабжения и отопления с использованием различных источников низкопотенциальной теплоты. Выполнено сравнение угерноэтфектиггостиГТТспаротомпрессорнымтеиловымигннсом ааодогмейныыкотлом.

Устнттіросгпянуті режимні і енергетичні характеристики теплонасоного режиму роботи гібродногитдрмотрансторматдаа (ГТТанаРаріетртуонноготермруотирссгорнооо модтоя (СТК-маОунй)йля ціаейларагрнгииаопоетачання та опалення з виыористаааотріниги бжетсе логъкoй(гтсгиiййУOдï теплоти. Воконано соріграиго сусосoeфeкmдрнаcmi ГТР р п^ісо-^^ігоу^с^р^р^д^і^т тепновиу сасосом і обК^рио^м ыдтлом.

Введение

Оттосттнльтия дншнвтзти т доступность тглнводородтых топлтв (в пнрвтю очнрндь природного гизи) зи послндттн днсяттлнття пртвнлт к миссовомт сжтгиттю тт в топких котнльтых игрнгитов с цнлью протзводстви ттзкопотнтцтильтого тнпли. С тсловиях огриттчнттостт этнргорнстрсов в стритн т тнпрнрывтого рости цнт ти топлтво рнилтзицтя тикого этнргозитриттого тнплостибжнття является крийтн тнрицтотильтым т ристочттнльтым способом тспользовиття этнргорнстрсов, что рисцнттвинтся в тистоящнн врнмя кик пртзтик тнтттчнской отстилостт [К].

Пкттильтость риботы связити с проблнмимт этнргосбнрнжнття т экологтчнской чтстоты тнплостибжнття объектов коммттильтых т промышлнттых прндпртяттй. Сижтия роль в рншнттт ткизиттых проблнм в тистоящнн врнмя отводттся втндрнттю в стстнмы тнплостибжнття тнплотисостых тститовок, тспользтющтх возобтовлянмын пртродтын тсточтткт тнплоты.

Постановка задачи

О позтцтт зикотов тнрмодттимткт, остовтия зидичи тнплостибжнття, типртмнр, отоплнття, зиключинтся в компнтсицтт тнобриттмых потнрь тнпли чнрнз тзолтртющтн повнрхтостт в окртжиющтю срндт пттнм подводи тнобходтмого тнплового потоки <2, состоящнго тз экснргтт Ед (прнвриттмия этнргтя) т итнргтт Ад (этнргтя тнплотосттнля прт

тнмпнритурн ривтой тнмпнриттрн окртжиющнй срнды Тос ).

Прт этом в зивтстмостт от мнтодов формтровиття трнбтнмого колтчнстви экснргтт стщнствтнт тнсколько прттцтптильто ризлтчтых возможтостнй создиття грнющнго тнплового потоки .

Штроко пртмнтянмый в тистоящнн врнмя тридтцтоттый способ зиключинтся в том, что бнртт поток чтстой экснргтт Ек (типртмнр, хтмтчнсктю этнргтю топлтви, элнктртчнсктю,

мнхиттчнсктю) т создиют тз тнго грнющтй поток (2 = Ек. Б тиктм этнргозитриттым тстройствим оттосятся водогрнйтын котлы, элнктротигрнвитнлт, гтдривлтчнсктн тнплогнтнриторы т мтогтн дртгтн тнплотнхтологтчнсктн стстнмы.

Так как необходимая для нагрева теплоносителя отопления эксергия Ед составляет

обычно лишь малую часть потока (), то степень энергоэффективности таких систем крайне низка. Например, при нагреве оборотной воды отопления от 30 °С до 70°С степень энергоэффективности теплоснабжения составляет 12-15 %.

С позиции экономической целесообразности, традиционный способ может быть «оправдан» только лишь низкой стоимостью топлива и простотой конструкции водогрейных котлов.

Практическое решение проблемы может быть достигнуто в результате разработки перспективных методов трансформации низкопотенциального тепла и создания на их основе энергоэффективных систем теплоснабжения.

К способам энергосберегающего теплоснабжения можно отнести:

- когенерация при реализации прямых циклов (совместное производство электроэнергии и низкопотенциального тепла на ТЭЦ или мини-ТЭЦ);

- повышающая термотрансформация, реализуемая в парокомпрессорных тепловых насосах;

- понижающая термотрансформация в абсорбционных тепловых насосах;

- гибридная термотрансформация с применением жидкостно-паровых струйных компрессоров.

Цель данного исследования состоит в определении показателей энергоэффективности гибридного термотрансформатора со струйной термокомпрессией в теплонасосном режиме работы и их сравнение с показателями котельных установок и тепловых насосов.

Задачами данного исследования являются:

- выбор схемных решений теплонасосных установок на базе гибридного термотрансформатора;

- определение режимных и энергетических характеристик гибридного термотрансформатора для рассматриваемых схем;

- сравнительный анализ энергоэффективности различных способов теплоснабжения.

Таким образом, необходимо создать расчетную схему модели определения

характеристик для возможности выбора оптимального варианта автономного теплоснабжения для целей горячего водоснабжения или отопления.

Научная новизна данного исследования определяется отсутствием необходимой информации по рассматриваемому типу термотрансформаторов.

Основная часть

Схема рассматриваемой установки согласно [2, 3] представлена на рис. 1. Жидкостно-паровой струйный компрессор ЖПСК, сепаратор С, циркуляционный насос Нц, теплообменник подогреватель ТП объединены в замкнутый по жидкой фазе рабочего вещества циркуляционный контур, реализующий прямой цикл преобразования энергии (1А-4—4'—5—1А). ЖПСК в данной установке выполняет для прямого цикла функцию парогенератора и расширительной машины, а для обратного цикла (1П-4-4''-6-7-1П)— функцию компрессора. В сепараторе поддерживается требуемое давление конденсации, ркд

при температуре гКд (рвд ). Насос отбирает жидкость из сепаратора и подает его при давлении

Ро > Ркд в подогреватель, откуда с температурой го > г^д она поступает в сопло активного

потока ЖПСК, обеспечивая инжекцию пара из испарителя. Паровая фаза рабочего вещества из сепаратора поступает в конденсатор КД, далее образовавшийся конденсат после переохлаждения в субкулере СК дросселируется в дроссельном устройстве ДУ и подается в испаритель И, где за счет теплообмена с утилизируемой средой или промежуточным хладоносителем образуется пар низкого давления формирующий пассивный поток для ЖПСК. За счет перепроизводства пара в ЖПСК часть конденсата с массовым расходом т0 необходимо вернуть в сепаратор для поддерживания постоянства расхода тА в жидкостном

циркуляционном контуре. Указанные выше 4 компонента установки, объединенные по циркуляционному контуру, образуют струйный термокомпрессорный модуль термотрансформатора, СТК-модуль, который функционально аналогичен механическому компрессору в парокомпрессорных тепловых насосах.

В соответствии с целью и задачами данного исследования из возможного многообразия схем были выбраны следующие варианты

• Схема А, включающая применение ГТТ для целей горячего водоснабжения с использованием низкопотенциальной теплоты естественного грунта;

• схема Б, включающая применение ГТТ для отопительных целей с использованием низкопотенциальной теплоты грунтовой воды;

• схема В, включающая применение ГТТ для целей ГВС и отопления с использованием теплоты атмосферного воздуха.

Указанные схемы представлены на рис. 2, 3 и 4.

На рис. 2, 3 и 4 обозначено:

• аппараты: ЖПСК - жидкостно-паровой струйный компрессор; С - сепаратор; Нц -насос циркуляционный; ТП - теплообменник-подогреватель; КД - конденсатор; СК -субкулер; ДУ - дроссельное устройство; И - испаритель; ВН - водонагреватель санитарной воды; ВК - водогрейный котел; НС - насос сетевой; НТ - насос теплоносителя; НР - насос рассольный; ГТ - грунтовый теплообменник; ГТТ - гибридный термотрансформатор; ПО -приборы отопления; НП - насос погружной; Н1С, Н2С—насосы сетевые; ВТ—вентилятор приточного воздуха.

• узловые точки: 1А, 1П, 4, ..., 7 - состояний рабочего вещества термотрансформатора; 1С, 2С, 3С, ..., 7С - состояний нагреваемой сетевой воды потребителя тепловой нагрузки; 1Т, 2Т, 3Т - состояний теплоносителя водогрейного котла; 1тоП, 1о, 2ПС - состояний топлива, окислителя (атмосферного воздуха) и продуктов сгорания водогрейного котла; 1в, 2в -состояний санитарной водопроводной воды; 1У, 2У, 3У - состояний среды: утилизирующей теплоту грунта (рассольной жидкости), рис. 2; состояний грунтовой воды, рис. 3; состояний атмосферного воздуха, рис. 4.

I

Рис. 1. Функциональная схема гибридного термотрансформатора

Рис. 2. Схема гибридного термотрансформатора для системы ГВС с использованием теплоты естественного грунта

Рис. 3. Схема включения гибридного термотрансформатора в систему отопления с использованием теплоты грунтовой воды

Рис. 4. Схема включения гибридного термотрансформатора в комплексную систему отопления и ГВС с использованием теплоты атмосферного воздуха

Каждая из схем включает 2 контура связи термотрансформатора с внешними источниками теплоты:

• контур переноса низкопотенциальной теплоты (грунт, грунтовая вода, атмосферный воздух);

• контур теплоносителя «водогрейный котёл - теплообменник-подогреватель СТК-модуля».

Независимо от целевого назначения в каждой схеме предусмотрен контур сетевой воды (греющий контур). Для системы ГВС в этот контур вводится емкостной водонагреватель для санитарной воды.

Перенос теплоты от естественного грунта осуществляется за счет циркуляции рассольной жидкости через вертикальный грунтовый теплообменник с помощью рассольного насоса, НР. Грунтовая вода перекачивается непосредственно через испаритель термотрансформатора погружным насосом, НП. Атмосферный воздух в схеме В поступает в испаритель с помощью приточного вентилятора, ВТ.

Проведенное моделирование режимных характеристик предусматривает численное определение связи между расходами во всех контурах каждой системы в зависимости от температурного уровня потока низкопотенциальной теплоты при обеспечении постоянства теплопроизводительности термотрансформатора.

Для расчета были приняты следующие общие исходные данные:

- теплопроизводительность термотрансформатора, ()ТН = 100 кВт;

- рабочее вещество, R134a;

- температура конденсации, tКд = 60 °С ;

- температура после субкулера, = 45 °С ;

- давление жидкости активного потока на входе в ЖПСК, р1А = 20 бар;

- нагрев жидкости активного потока в теплообменнике-подоревателе, Д^ = 2 °С;

- топливо для водогрейного котла - природный газ марки «Е» с нижней теплотой

& С кДж

сгорания по сухой массе, (¿Н = 34,01--—;

нм

- температура теплоносителя водогрейного котла, на входе t2Т = 70°С на выходе = 90 °С;

- температура сетевой воды на входе в ГТТ, ^С = 40°С на выходе из ГТТ t2С = 55 °С;

- параметры окружающей среды: Тос = 263К, рос = 100кПа

Дополнительные исходные данные:

- температура санитарной воды на входе в водонагреватель, \в = 10°С на выходе

^ = 50 °С;

- рассольная жидкость в грунтовом теплообменнике - 30 %-ый водный раствор пропиленгликоля.

С учетом температурных условий низкопотенциальных источников теплоты для каждой из схем был установлен диапазон измерения определяющих факторов для испарителя термотрансформатора.

На основе программного комплекса для расчёта струйного термотрансформатора, по заданным исходным данным, были получены значения параметров рабочего процесса, в том числе основных и необходимых для расчета ГТТ в соответствующих диапазонах при разных температурах кипения холодильного агента в испарителе (tИ = -25...5 °С ):

• и = 0,0472...0,0582 - коэффициента инжекции ЖПСК;

• /4 = 1,142... 1,322 - степени перепроизводства пара;

• / = 2,505...2,947 - коэффициента преобразования ГТТ;

• Пе = 0,301...0,354 - эксергетического к.п.д. ГТТ;

• Пестк = 0,461...0,809 - эксергетического к.п.д СТК-модуля.

На базе полученных значений параметров рабочего процесса (и ,у4г,уч) определяются режимные параметры оборудования гибридного термотрансформатора:

—массовый расход рабочего вещества через конденсатор:

А/( АкСК \

МКД “ Q ГКД + ;

/I ^4 )

где АкСК - удельная тепловая нагрузка на субкулер;

*СК

— массовый расход рабочего вещества через испаритель:

тИ = тК

‘И "‘КД /У4 ;

— массовый расход рабочего вещества в контуре циркуляции СТК-модуля:

шА = Ми/и;

— массовый расход конденсата за счёт перепроизведенного пара в ЖПСК:

то = тКд - Ми ;

— тепловая нагрузка на конденсатор:

^Д = МКД ' ГКД ;

— тепловая нагрузка на субкулер:

QСК = QТН — QКД ;

— тепловая нагрузка на испаритель:

QИ = тИ ■ (Ап — ^7 ) ;

— тепловая нагрузка на теплообменник-подогреватель рабочего вещества:

QTП = тА ■ (^1А — ^5 ) ;

— индикаторная мощность циркуляционного насоса:

N )нц = (нц ) ^ ^ ^ Л

/МЕХ

— потребляемая мощность привода циркуляционного насоса:

N _ (Ni )нц

ІVHЦ _ •

ПНЦ ■ ПДВ

Контур водогрейного котла можно рассматривать в комплексе с теплообменником-подогревателем, а при установке определенных автоматически-защитных устройств, подогрев рабочего вещества можно обеспечивать без промежуточного контура теплоносителя. При наличии водогрейного котла его параметры, такие как: массовый расход теплоносителя, GT, объемный расход, VT, объемный расход топлива, VTon _ VrA3, тепловая

нагрузка на водогреынй котел, QBK ипотребляемая мощность привода насоса перекачки теплоносителя, NHT определяются из выражений, представленных в [4] для соответсвующих или подобных схем.

В табл. 1 представлены результаты расчета режимных параметров ГТТ в зависимости от температуры кипения рабочего вещества в испарителе при поддержании QTH _ const, p1A _ const, tKfl _ const, AtTn _ const.

Режимные характеристики контура утилизируемой среды, такие как: массовый расход Gy, объемный расход, Vy, общее гидравлическое сопротивление, АрУ и потребляемая

мощность соответсвующего оборудования из рассмотренных схем, определяются также по известным зависимостям для подобных схем, представленных в [4].

Таблица 1

Режимные параметры термотрансформатора

Испаритель Циркуляционный кгнтуу

t °С т и,кг/с бн > кВт тА, кг/с 0т,кВт ■щ, кВт

Сеема А

-3 0,522 68,7 9,54 31,4 2,170

0 0,509 68 9,72 31,9 2,445

3 0,495 66,9 9,91 32,6 2,882

Сеема Б

0 0,509 68 9,72 31,90 2,445

1 0,507 67,9 9,73 31,92 2,500

2 0,502 67,6 9,77 32,10 2,640

Сеема В

-25 0,540 64,0 11,12 36,57 1,578

-18 0,551 67,7 10,10 33,23 1,318

-12 0,546 68,4 9,652 31,75 1,540

-6 0,531 69,1 9,546 31,40 1,890

Водогрейный котёл

t °С СТ,кг/с V, нм3/ час бвк ,кВт ¡&ГДЗ,нм3 /час ■НТ, кВт

Сеема А

-3 0,374 1,38 33,05 3,50 0,035

0 0,381 1,41 33,70 3,56 0,036

3 0,396 1,47 35,00 3,70 0,038

Сеема Б

0 0,381 1,41 33,70 3,56 0,036

1 0,382 1,413 34,60 3,(36 0,037

2 0,383 1,419 34,84 3,(39 0,037

Сеема В

-25 0,436 1,615 38,50 41,07 0,041

-18 0,396 1,467 34,98 3,70 0,038

-12 0,378 1,400 33,42 3,54 0,03(5

-6 0,374 1,386 33,06 3,50 0,035

В табл. 2 предссталены результаты расчета параметров для периичного контура рааамаариваемых схем.

Таблица 2

Режимные параметры контура утилизируемой средх!___________________

t °С GУ,кг/с ¥У, нм'3/час АрУ ,кПа ■ ,кВт

1 2 3 4 5

Сеема А

-3 9,04 31,4 51 0,(318

0 8,92 31,0 47 0,563

3 8,76 30,5 43 0,505

Сеема Б

0 5,401 19,50 785

1 5,405 19,46 780

2 5,375 19,35 780 5,82

Сеема В

-25 21,15 56067 0,1 2,6

Продолжение таблицы 2

-18 22,37 60992 0,1 2,82

-12 22,87 63679 0,1 2,95

-6 22,92 65233 0,1 3,02

Режимные параметры греющего контура: массовый и объемный расходы сетевой (0С и ¥С , соответственно) и санитарной воды ( 0В и ¥В ), гидравлическое сопротивление в контуре сетевой воды ДрС и потребляемая мощность насоса, ■НС. Расчетные величины указанных параметров приведены в табл. 3.

Таблица 3

Режимные параметры г реющего контура

ї °С *КД ’ 0С, кг/с ¥С, нм3/час 0В, кг/с V, нм3/час АрС, кПа ЖНс , кВт

60 1,6 5,8 2,048 2,057 150 0,335

После определения параметров рабочего процесса гибридного термотрансформатора выполняется процедура схематизации энергопотоков в виде составления соответствующих схем, рис. 5, 6, 7.

Рис. 5. Схема энергетических и материальных потоков для системы ГВС на базе гибридного термотрансформатора (схема А)

На каждой схеме пунктирной линией, контур «а», выделяется граница системы для однозначности составления балансовых уравнений и определения показателей энергоэффективности.

,а

Рис. 6. Схема энергетических и материальных потоков для системы отопления на базе

гибридного термотрансформатора (схема Б)

„О

Рис. 7. Схема энергетических и материальных потоков для системы комплексного теплоснабжения на базе гибридного термотрансформатора (схема В)

Для сравнительного анализа на рис. 8 представлены схемы энергетических и материальных потоков для парокомпрессорного теплового насоса и водогрейного котла, используемых для нагрева санитарной воды в емкостном водонагревателе.

В указанных расчётных схемах термотрансформатор рассматривается как один из компонентов теплонасосной установки на его базе.

Рис. 8. Схемы энергетических и материальных потоков для системы ГВС на базе: а - парокомпрессорного теплового насоса; б - водогрейного котла

В качестве показателей энергетической эффективности принимаются следующие:

• эксергетическая эффективность (эксергетический к.п.д.), в;

• коэффициент преобразования по полной цепи от первичного энергоресурса (тепловой коэффициент), СОР.. .

В зависимости от целей теплоснабжения также рассматриваются экономические показатели, [4]:

• энергетическая составляющая удельной стоимости единицы теплоты, сд ;

• энергетическая составляющая удельной стоимости единицы объема нагреваемой санитарной воды, су.

Оценка энергоэффективности систем ГВС или отопления с использованием гибридного термотрансформатора базируется на применении эксергетического метода термодинамического анализа ввиду разнородности форм энергии во взаимодействующих потоках (механическая, тепловая, химическая).

При использовании эксергетического метода потери энергии от внешней и внутренней необратимости равны разности эксергии по входным и выходным условиям состояния системы. Преимущество эксергетического метода состоит в том, что вычисляемое уменьшение эксергии дает сразу значение потерь превратимости энергии и позволяет сопоставлять их с подведенным количеством этой энергии.

Для оценки совершенства процесса или установки в технике используется понятие коэффициента полезного действия, но правильную оценку дают лишь выражения составления из термодинамически равноценных величин, т.е. только из эксергии. Только такой к. п.д. принимает в идеальном случае обратимого процесса значение, равное единице.

В отличии от публикаций, в которых понятие эксергетического к. п. д. интерпретируется по работам В.М. Бродянского [5, 6, 7], в данной работе используются формулировки и терминология, предложенные М. Мораном, ДЖ. Тсатсаронисом и другими представителями современной эксергетической школы [8, 9, 10].

При проведении эксергетического анализа сформированы новые понятия эксергетических потоков, а именно:

• эксергия потока «топлива», Ер .

• эксергия потока «продукта», ЕР.

• деструкция эксергии, Ев.

• потери эксергии, возникающие при внешнем контакте системы (элемента системы) с окружающей средой, Еь.

Эксергетический баланс с учетом приведенных потоков записывается в виде:

Ер - Ер + Ев + Еь

Главный критерий эксергетического анализа, заменяющий термин эксергетического к.п.д., носит название «эксергетическая эффективность»:

є -

Ер

Ел

Отнесение транзитных или прерывистых потоков эксергии к категории Ер или Ер сформулировано в правилах, изложенных в [9, 10].

На базе схем энергетических и материальных потоков, рис. 5-8, можно составить формализованные схемы эксергетических преобразований, рис. 9, 10, с указанием входных и выходных потоков эксергий (пересекающих границы рассматриваемой системы). Баланс эксергетических потоков замыкается величиной деструкции, Ев и потерь, Еь эксергии в процессах энергопреобразований в компонентах системы.

1 н ‘-1 н

Е% Е*. , Щ Еовт

щ

ч Ео Г г (*) Епс

Е0

пс „ Етоп (Е0^б

Зч

Е% ь

Щ ©

Е0 Ч7С

Етоп

у'

Рис. 9. Схемы эксергетических преобразований в границах систем А, Б и В (рис. 5, 6, 7)

иктн

%

вк ч. Епс

Ео

Етоп

(Ео+Е[}вк

а)

51

Рис. 10. Схемы эксергетических преобразований: а - для парокомпрессорного теплового насоса; б - для водогрейного котла

Для выполнения расчетов по изменению удельной эксергии потоков несжимаемой жидкости и идеального газа используются выражения, [4]:

Є2 f Є1 f — Cf

и

+

Р2г — Ріг

Рї

Є — Є — С

2 £ І£ Р,£

(т — т )— т . 1пі2!.

V 2£ 11^ 1 О.С 111 т

+ ТОС • К •|п

Р2 f

Рії

2 g

Расчет эксергии ископаемого топлива (природного газа) производится по выражению:

ЕТОП = ЕГАЗ = *газ • 0,95 •

Расчет эксергии потока теплоты выполняется с использованием фактора Карно:

Ер — 2 .|1 —

т

т

где Т - средняя температура теплоносителя в процессе теплообмена.

Поток продуктов сгорания рассматривается как смесь идеальных газов, для определения объемного расхода этого потока принято расчетное уравнение:

V = V • (1 + а •VО)

ПС ' ГАЗ V ИЗБ ' )

где 1&ГАЗ - расход топливного газа, нм3/с (нм3/час); аИЗБ - коэффициент избытка воздуха;

VО - объем теоретически-необходимого воздуха для сжигания нм3 топлива.

Эксергия потока атмосферного воздуха с параметрами Тос, рос. принимается равной

нулю по определению понятия эксергии, т. е. Ео = 0 .

При применении теплового насоса или водогрейного котла для отопительных целей в уравнении для Ер рассматривается эксергия теплового потока, компенсирующего тепловой сток в окружающую среду, т. е. Ер = Евот.

Результаты расчета эксергетической эффективности приведены на рис. 11.

схема А схема Б схема В схема В

ГВС) /отопление/

Рис. 11. График значений эксергетической эффективности для условий

іИ — 0°С, ґКД — 60°С

Термодинамическое сопоставление различных схем теплоснабжения производится по затрате первичной энергии, необходимой для производства определенного количества электроэнергии и тепла среднего потенциала. Таким образом, подобное сопоставление

сравнивает тепловой насос, передаваемый потребителю тепловой нагрузки с тепловым потоком, которое генерируется при сжигании ископаемого топлива. Показателем уровня использования первичного энергоресурса может служить величина коэффициента преобразования по полной цепи от первичного энергоресурса, СОР..:

е

СОР,=

а

ПЭР

Для электрогенерации на базе тепловых электростанций (ТЕС):

СОРуТЭС = ^.

а

ПЭР

Для теплогерерации в котельной установке:

сорг = Пку =

Для моноэнергетической теплонасосной электроэнергии:

а

КУ

оКУ

ПЭР

системы с потреблением только

СОР™ =

ТН 0ТН • СОРУТЭС • СОРУЛЭП.

Nэ.

где СОР5ЛЭП - коэффициент преобразования в линии электропередачи от ТЭС до приводного электродвигателя оборудования теплонасосной установки.

Для гибридного термотрансформатора:

00ТН

СОР.= ■

■+оВК

СОРУТЭС • СОРУЛЭП ПЭР

В свою очередь для котельной установки с потреблением топливного газа:

0КУ = V • 0С

^ПЭР ' ГАЗ ІІН

Результат расчета СОР. для рассматриваемых вариантов работы ГТТ приведены на рис. 12.

схема А

схема Б

схема В

Рис. 12. График значений коэффициента преобразования для условий ХИ = 0°С, = 60°С

Энергетическая составляющая удельной стоимости теплоснабжения может быть представлена следующим выражением:

=1

ц

Э/Э

+1

т У

ц

ПЭР

й

Т У

где цЭ/Э, цПЭР - тарифы на электроэнергию и первичные энергоресурсы;

/ПЭР - параметр интенсивности ПЭР (объемный или массовый расход);

()Т - тепловой поток передаваемый потребителю.

Для системы ГВС данный показатель рассматривается относительно объемного расхода нагреваемой води и связан с величиной сд следующим выражением:

СУ = Сй

йт

к

Результаты расчета сй и еу представлены на рис. 13.

ПЭР

с

Су.

грн

16А 16А

/4,7 751 15,7

6.6

ГТТ ПКНТ КУ ГТТ ПКНТ КУ

со-

грн

[ход

т

209

ГТТ

пкнт

381

380

КУ

375

180

ГТТ

ПКНТ

КУ

схема А схема В схема Б схема В

а) б!

Рис. 13. Экономические показатели энергоэффективности теплоснабжения для условий tИ = 0°С, = 60°С : а - для систем ГВС; б - для системы отопления

Выводы

1. Выполнен выбор схемных решений применения гибридного термотрансформатора в системах ГВС и отопления с утилизацией теплоты естественного грунта, грунтовой воды и атмосферного воздуха.

2. Составлены расчетные модели по определению режимных и энергетических характеристик для рассматриваемых схем теплоснабжения.

3. На основе численного моделирования получены прогнозируемые значения расходных и энергетическихпоказателей.

4. Выполнено сравнение энергоэффективности для гибридного термотрансформатора, парокомпрессорного теплового насоса и котельной установки для равноценных режимов ГВС и отопления.

5. По всем схемам гибридного термотрансформатора показатели и значительно выше, чем для традиционных систем теплоснабжения (ПКТН и КУ).

6. Удельная энергетическая стоимость теплоснабжения как для целей ГВС, так и отопления при применении гибридного термотрансформатора в 2 или более раз ниже, чем для котельных установок и парокомпрессорных тепловых насосов для выбранного расчетного

уровня температуры сетевой воды, равной 550С.

7. Характер зависимостей представленных на рис. 11-13 аналогичен и для других температурных уровней кипения рабочего вещества в испарителе.

8. Более высокие показатели энергоэффективности могут быть получены при применении в качестве рабочих веществ чистых углеводородов (R600, R600a) и синтезированных хладагентов ^142в, R236fa, R245fa).

Список литературы

1. Фаворский О. Н., Полищук В. Л., Лившиц Н. М., Длугосельский В. Н. Мировой опыт и перспективы внедрения парогазовых и газотурбинных технологий в теплоэнергетику России на основе возможностей отечественного энергомашиностроения. // Теплоэнергетика. - 2007.

- № 9. - С. 46.

2. Деклараційний патент на корисну модель: парова термотрансформатора установка №28398, Україна, МПК (2006) F25B 1/00. Опубл. 10.12.2007. Бюл. № 20.

3. Арсеньев В. М., Марченко В. Н., Прокопов М. Г., Проценко М. И. Применение струйной термокомпрессии в понижающих термотрансформаторах.// Холодильна техніка і технологія. -2009. - № 5 (121). - С. 51-56.

4. Арсеньєв В. М. Теплонасосна технологія енергозбереження: навчальний посібник / В. М. Арсеньєв. - Суми: Сумський державний університет, 2011. - 283 с.

5. Бродянський В. Н. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

6. Соколов Е. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергоиздат., 1981. - 320 с.

7. Эксергетические расчеты технических систем. Справочное пособие / Под ред. А. А. Долинского и В. М. Бродянского. - Киев: Наукова думка, 1991.

8. Moran M. I., Shapiro H. N. Fundamentals of engineering thermodynamics. - Nev York: John Wiley, 1992.

9. Тсатсаронис Д. Взаимодействие термодинамики и экономики для минимизации стоимости энергопреобразующей системы. - Одеса: ООО Студия «Негоциант», 2002. - 152 с.

10. Морозюк Т. В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. — Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с.

CHARACTERISTICS OF THE HEAT PUMP MODE OF HYBRID THERMALTRANSFORMER USING NATURAL HEAT SOURCES

V. M. ARSENIEV, Cand. Tech. Sci., Prof.

M. I. PROTSENKO, engineer V N. KOZIN, Cand. Tech. Sci.

S. V. BUJANOV, student

Energy and operating conditions characteristics of the heat pump mode of hybrid thermaltransformer (HTT) are presented in the paper. HTT, based on the jet thermal compression module (JTC-module), is operated for the purposes of the hot water supply and heating using different low-grade heat sources. The comparison between performance efficiency of HTT with vapor compression heat pump and HTT with water boiler was implemented.

Поступила в редакцию 03.07 2012 г.