CC BY
43
POWER SUPPLY UNIT FOR COMMERCIAL GREENHOUSES
Sit Mikhail, Sit Boris
Institute ofPower Engineering of the Academhy of Sciences of Moldova
Abstract. The aim of the work is to develop the energy efficient schemes for energy supply of the industrial greenhouse designed for year-round production of plants that requires year-round maintenance of strongly prescribed temperature and humidity inside. We have been elaborated the complex "gas driven heat pump "water-air" - electric generator" (for use during the heating season) as well as the "gas driven heat pump "water-air" - electric generator - desiccant - evaporative chiller" (for use during the off-season). Proposed structures have a high energetic and economic efficiency as compared with conventional schemes (boiler - chiller). The proposed complex ensures year-round maximum COP of heat pump and maximum performance of gas engine. Keywords: Cogeneration, heat pump, gas engine.
UNITATE DE ALIMENTARE CU ENERGIE PENTRU SERE INDUSTRIALE
§it Mihail, §it Boris
Institutul de Energetica al Academiei de §tiinte a Moldovei Rezumat. Scopul lucrarii este de a elabora un sistem eficient de alimentare cu energie pentru serele industriale unde este necesara mentinerea stricta a temperaturii §i umiditatii dorite. Serele sunt destinate pentru cultivarea plantelor pe tot parcursul anului. A fost elaborat complexul: "pompa de caldura cu motorul cu gaz apa-aer"-generator electric" (pentru utilizarea in timpul sezonului de incalzire), precum §i "pompa de caldura cu motor cu gaz apa-aer"- cooler evaporativ - generator electric" pentru a lucra in perioada de intersezon. Solutiile propuse pot asigura eficienta energetica la producerea energieicomparativ cu solutiile clasice (cazane - ciler). Complexul propus pot asigura pe tot parcursul anului eficienta maxima a pompei de caldura §i randamentul maxim al motorului cu gaz.
Cuvinte-cheie: Cogenerare, pompa de caldura, motorul cu gaz.
УЗЕЛ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛИЦ Шит М.Л, Шит Б.М.
Институт Энергетики Академии наук Молдовы Аннотация. Целью работы является разработка эффективной схемы энергоснабжения промышленной теплицы, предназначенный для круглогодичного выращивания растений и строгого поддержания заданной температуры и влажности. При этом задачей было разработать комплекс "тепловой насос с газовым приводом "вода-воздух" - электрический генератор" (для использования в течение отопительного сезона), а также "тепловой насос с газовым приводом "вода-воздух" - электрический генератор" - испарительный охладитель", для работы в межсезонье.. Предлагаемые конструкции имеют высокую энергетическую и экономическую эффективность по сравнению с обычными схемами (котел -холодильная машина). Предложенный комплекс может обеспечить круглогодичное максимальное значение КПД теплового насоса при максимальной производительности газового двигателя. Ключевые слова: Когенерация, тепловой насос, газовый двигатель.
1. Introducere
In lucrare este prezentat sistemul de alimentare cu energie electrica, caldura §i frig a serei industriale. Sistemul include motorul cu gaz cu piston, care este cuplat cu compresorul pompei de caldura de tip "aer - apa". Pompa are ca corp de lucru dioxidul de carbon.
Pompele de caldura in care motorul cu gaz actioneaza compresorul §i generatorul electric sunt descrise in [1-16]. Pompe de caldura in care se utilizeaza pentru actionarea compresorului motorul cu gaz cu piston dupa ansamblul de indicatori „utilizarea energiei primare" §i „emisia de CO2" sunt comparabile cu cele cu actionari electrice utilizate in conditiile climaterice caracteristice pentru Europa Centrala. Unitatea de alimentare cu energie a serelor industriale conform schemelor prezentate se propune pentru prima data.
2. Sistemul de aprovizionare cu energie in perioada rece §i de tranzitie
Se propune schema pompei de câldurâ actionatâ de motorul cu gaz în care câldurâ rezidualâ a motorului se utilizeazâ pentru majorarea COP al pompei de câldurâ §i pentru generarea frigului suplimentar (la necesitate, preponderent în perioadâ caldâ a anului).
Figura 1. Pompa de câldurâ cu douâ compresoare cu o treaptâ §i cu sistemul de utilizare a câldurii reziduale a motorului cu gaz.
1,2 - compresor; 3- râcitor de gaze; 4- supapa de reglare; 5 - recuperator de câldurâ; 6- supapa de reglare a presiunii treptei a douâ a compresorului; 7 - schimbâtor de râcire a gazului la ieçirea din prima treaptâ a compresorului; 8 - schimbâtor de câldurâ - recuperator; 9, 9a - supape de reglare a debitului de agent frigorific ce trece prin evaporatoare; 10, 10a - regulatoarele de supraîncâlzire a aburului agentului frigorific ieçit din evaporatoare; 11, 11a - evaporatoare; 12 - ejector; 13 -schimbâtorul de câldurâ pentru încâlzirea aerului ieçit din evaporator; 14 - rezervor - separator de lichid. Cu culoare roçie sunt marcate conductele prin care se evacueazâ câldurâ motorului cu gaz, cu verde - aerul din exterior, cu albastru - sistemul de încâlzire. Numerele cu culoare roçie - denumirea dispozitivelor, numerele subliniate -punctele caracteristice al ciclului termodinamic utilizat.
Notatii, a vedea în figura 1 §i suplimentar în figura 2 sunt prezentate urmâtoarele elemente: 14 - uscâtor rotativ al aerului, IEC - râcitor evaporativ indirect, DEC - râcitor evaporativ direct. Cu linii verzi se prezentat traiectoria de circulatie a fluxului aerului, cu culoare albastrâ - a apei. Aerul, care trece prin sectia râcitorului de gaze 3, este amestecul a douâ fluxuri, ce prezintâ fluxul format de aerul din exterior §i aerului evacuat din sera.
Conform [15,16] COP a ciclului termodinamic al instalatiei prezentate în figura 1 pentru temperatura din exterior minus 160C constituie 2.8, iar pentru valoarea temperaturii aerului din exterior egalâ cu 10C constituie 4.0.
Figura 2. Schema de climatizare a aerului în sezonul cald. 1,2 - compresor; 3- räcitor de gaze; 4- supapa de reglare; 5 - recuperator de cäldurä; 6- supapa de reglare a presiunii treptei a douä a compresorului; 7 - schimbätor de räcire a gazului la ieçirea din prima treaptä a compresorului; 8 - schimbätor de cäldurä - recuperator; 9, - supapa de reglare a debitului de agent frigorific ce trece prin evaporatoare; 10, - evaporatorul; 11 - schimbätorul de cäldurä pentru mcälzirea aerului ieçit din evaporator; 12 - recuperatror. Cu culoare roçie sunt marcate conductele prin care se evacueazä cäldurä motorului cu gaz, cu verde - aerul din exterior, cu
albastru - sistemul de incalzire. Numerele cu culoare ro§ie - denumirea dispozitivelor, numerele subliniate -punctele caracteristice al ciclului termodinamic utilizat.
O posibila solutie de majorarea a eficientei energetice a sistemelor de aer conditionat consta in utilizarea racirii naturale evaporativa. In figura 2 se prezinta varianta de realizare a sistemului de climatizare, bazat pe combinatia ma§inii frigorifice cu comprimare de vapori §i utilizarea racirii evaporative §i uscatorului de adsorbtie a aerului §i ma§inii frigorifice de adsorbtie. In schema (a vedea figura 2), linia albastra reprezinta traiectoria de mi§care a fluxului de apa, care circula in contur inchis, linia verde (punctata) reprezinta traiectoria fluxului de aer.
2
en
3
4
6
Figura 3. Schema bloc a instalatiei, unde 1- instalatia cu motor cu gaz cu piston; 2 -generatorul electric; 3 - reteaua electricâ, 4 - compresorul
Mentinerea regimului termic al schimbâtorului de câldurâ 7 poate fi asiguratâ cât prin procesul de tip DEC, atât §i prin utilizarea fluxului de aer luat din exterior (în dependentâ de temperatura aerului din exterior), prin râcire cu aer ori cu apâ (în dependentâ de sarcina frigorificâ a pompei de câldurâ §i temperatura aerului din exterior), ori numai prin râcire cu aer. În regimul de râcire a aerului serei, maçina frigorificâ este ajustatâ la valoarea temperaturii evaporatorului tv = 5oC. Apâ circulâ prin tevile de încâlzire ale serei. Sâ
examinâm urmâtorul regim în serâ: temperatura este egalâ cu 18±20C, iar umiditatea cu 80±5%. Schema bloc a instalatiei aratâ în felul urmâtor (figura 3).
3. Sistemul de dirijare
Sistemul de dirijare a pompei de câldurâ este format din 6 subsisteme: SDA al regimului de temperaturâ §i de umiditate, SDA de generare §i consumul al energiei electrice, SDA a pompei de câldurâ, SDA a instalatiei cu motor cu gaz cu piston.
Sistemul are urmâtoarele particularitâti: pentru obtinerea unei valori noi prescrise a temperaturi râcitorului de gaze (RG) §i a puterii termice, transmise prin RG, este necesarâ modificare urmâtoarelor semnale de sarcini are regulatoarelor buclelor SDA:
1) semnalele de sarcina pentru puterea compresorului;
2) semnalul de sarcina a temperaturii apei dupâ RG;
3) semnalul de sarcinâ a consumului de aer cald prin evaporator, reieçind din conditia, câ valoarea consumului aerului cald sâ corespundâ valorii noi a puterii compresorului.
Punctul de lucru al compresorului (presiunea §i temperatura agentului frigorific la intrare în compresor) atinge starea prescrisâ dupâ finalizarea proceselor tranzitorii în evaporatoare §i în schimbâtorul suplimentar de câldurâ al pompei de câldurâ. Inertia procesului tranzitoriu de schimbare a locului punctului de lucru al compresorului este determinatâ de inertia schimbâtoarelor de câldurâ, a acumulatorului de câldurâ etc. COP al pompei de câldurâ se regleazâ ca urmare a modificârii regimului de lucru al schimbâtorului de câldurâ intermediar §i regimului de functionare a schimbâtorului de câldurâ
destinât pentru captarea cäldurii gazelor de ardere. Al doilea parametru reglabil al sistemului este debitul de gaze, care se determinä de valoarea COP-ului pompei de cäldurä §i de valoarea maximalä a randamentului motorului cu gaz. La schimbarea conditiilor meteo are loc schimbare consumului agentului frigorific prin schimbätoarele de cäldurä 3,5,7,13 ( a vedea figurai) §i consumului gazelor de ardere la intrarea în schimbätorul de cäldurä al gazelor de ardere. Criteriul de performantä a reglärii motorului cu gaz este formulat ca „minimul de consum a combustibilului gazos pe durata derulärii procesului tranzitoriu".
La varierea sarcinii este necesar de modificat valoarea solicitatä a puterii compresorului §i a debitului de aer, care trece prin acumulatorul de cäldurä §i mai departe prin evaporator.
Instalatia genereazä o cantitate anumitä de energie electricä, care depinde de debitul de gaze, necesar pentru producerea cäldurii pentru mcälzirea serei cu conditia asigurärii maximului COP al pompei de cäldurä §i valorii maximale a randamentului motorului cu gaz. În perioadä de vara gazul se utilizeazä numai în asigurarea procesului tehnologic de uscare a aerului (a vedea 14 în figura 2) §i pentru climatizarea aerului în serä, inclusiv §i pentru producerea frigului suplimentar utilizat pentru pästrarea produselor agricole.
Figura. 4. Schema structuralâ a sistemului de comanda a pompei de câldurâ cu actionare de
la motorul cu gaz
Diminuarea consumului de gaze se asigurâ urmare a utilizarii principiului de producere a necesarului solicitat de energie termicâ (câldurâ) la puterea constantâ a motorului cu gaz. Energia electricâ în acest caz este un produs secundar. În acest sistem se asigurâ mentinerea valorii constante a puterii sumare mecanice, care este necesarâ pentru actionarea compresorului §i a generatorului la perturbatii în sistemul de alimentare cu câldurâ ori cu frig. Sistemul de dirijare cu motorul cu gaz trebuie sâ fie includâ sistemului de stabilizare a numârului de rotatii a motorului cu gaz, reieçind din conditia mentinerii puterii constante a motorului la valoarea prescrisâ a randamentului motorului.
Concluzii
1. Schema propusa a instalatiei cu pompa de caldura cu doua trepte cu actionare de la motorul cu gaz a compresorului permite asigurarea regimului de mentinere a climei la parametrii prescri§i in sera pe toata perioada anului.
2. S-a elaborat in premiera §i a fost analizata schema de tip cogenerare a instalatiilor cu pompe de caldura §i a instalatiilor frigorifice in care actionarea se face numai ca rezultat al proceselor de ardere a combustibilului gazos.
3. Pentru a mentine microclima in sezonul cald este benefica utilizarea pompei combinate de caldura. Cel mai eficient se prezinta utilizarea pompei de caldura in regimul de ma§ina frigorifica in combinatie cu racirea evaporativa indirecta §i cu elemente ale ma§inii frigorifice de adsorbtie. In acest caz, caldura evacuata de la motorul de gaz §i de la condensatorul ma§inii frigorifice poate fi utilizata pentru alimentarea cu energie a ma§inii frigorifice cu sorbtie. Acest complex poate fi utilizat pentru pastrarea produselor agricole.
Bibliografie
[1] Zhi-Gao Sun. A combined heat and cold system driven by a gas industrial engine. Energy Conversion and Management 48 (2007) 366-369.
[2] Yang Zhao, Zhao Haibo, Fang Zheng. Modeling and dynamic control simulation of unitary gas engine heat pump. Energy Conversion and Management 48 (2007) 31463153.
[3] Teitel M., Segal I., Shklyar A., Barak M. A Comparison between Pipe and Air Heating Methods for Greenhouses. J. Agric. Engng Res. (1999) 72, 259-273
[4] Brenn J., Soltic P., Bach Ch. Comparison of natural gas driven heat pumps and electrically driven heat pumps with conventional systems for building heating purposes. Energy and Buildings 42 (2010) 904-908.
[5] Yanwei Wang, Liang Cai, Xiaowei Shao, Gaolong Jin, Xiaosong Zhang. Analysis on energy-saving effect and environmental benefit of a novel hybrid-power gas engine heat pump. International Journal of Refrigeration 36(2013), pp. 237-246.
[6] V. Pandiyarajan, M. Chinna Pandian, E. Malan, R. Velraj, R.V. Seeniraj. Experimental investigation on heat recovery from diesel engine exhaust using finned shell and tube heat exchanger and thermal storage system. Applied Energy 88 (2011) 77-87.
[7] Information about cogeneration systems of greenhouses. http://www.greenhouses.kz/files/file5.pdf
[8] Jieyue Wang, Liang Cai, Yanwei Wang, Yanbin Ma, Xiaosong Zhang. "Modeling and optimizaton matching of a coaxial parallel - type hybrid power gas engine heat pump". Energy 55(2013), June 2013, p.1196-1204.
[9] Yngbai Xie, Liyong Lun, Zhun Yu, Xuedong Zhang. Performance of Cogeneration System Incorporating Gas Engine Driven Heat Pump. In Challenges of Power Engineering and Environment, 2007, pp 61-63. Proceedings of the International Conference on Power Engineering 2007. http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-540-76694-0_10. ((data ultimii adresarii 10.12.2014).
[10] Jinggang Wang, Ligai Kang, Zhenjing Yin. A Combination of CO2 Transcritical Cycle with Desiccant Cooling. 2009 Chinese Control and Decision Conference (CCDC 2009), pp.1962-1966.
[11] Hideki Yamaguchi, Yoshinori Hisazumi, Hitoshi Asano, Hikaru Morita, Toshihiro Hori, Toshiki Matsumoto, Tetsuo Abiko. Development of a New Cogeneration System for Local Community. In Challenges of Power Engineering and Environment, 2007, pp 61-63. Proceedings of the International Conference on Power Engineering
2007. http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-540-76694-0/page/1 (data ultimii adresärii 10.12.2014).
[12] Elgendy E., Schmidt J. Experimental Investigation of Gas Engine Driven Heat Pump Used in Water Cooling. The Online Journal on Power and Energy Engineering (OJPEE). Vol. (1) - No. (3), pp. 90-94.
[13] Jiazhen Ling, Osamu Kuwabara, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher. Experimental evaluation and performance enhancement prediction of desiccant assisted separate sensible and latent cooling air-conditioning system. International Journal of Refrigeration 34 ( No 4, 2011) pp. 946 - 957.
[14] Ying-Lin Li, Xiao-Song Zhang, Liang Cai. A novel parallel-type hybrid-power gsa-driven engine heat pump system. International Journal of Refrigeration 30(2007) 1134-1142.
[15] §it M L., Ioi§er A.M., §it B.M., Doro§enko A.V., Ceban D.N. Alimentare cu energie a serei industríale cu utilizare a pompei de cäldurä cu actionare de gaze, Partea I. Problemele Energeticii Regionale, Nr 2(22) 2013, http://journal.ie.asm.md/assets/files/m71_2_241.pdf (data ultimii adresärii 10.12.2014).
[16] §it M L., Ioi§er A.M., Andronati N., Burciu V., §it B.M.. Alimentare cu energie a serei industríale cu utilizare a pompei de cäldurä cu actionare de gaze, Partea II. Problemele Energeticii Regionale, Nr 3(23) 2013,
[17] http://journal.ie.asm.md/assets/files/m71_2_265.pdf (data ultimii adresärii 10.12.2014).
Despre autori:
§it Mihail - doctor in tehnicä, cercetätor coordonator, Laboratorului „Eficientta energeticä §i surse regenerabile de energie" IE A§M. Domenii de ínteres §tiintific: pompe de caldura, conducerea automatä proceselor tehnologice in energeticä, industrie, agriculturä. E-mail:
mihail [email protected]
§it Boris - inginer-programator IE A§M. Domenii de interes §tiintific: programarea in energeticä, industrie. E-mail: [email protected].
