НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 621.577

ОСТАПЕНКО Ольга Павлівна

ПАРОКОМПРЕСІЙНІ ТЕПЛОНАСОСНІ

УСТАНОВКИ В СИСТЕМАХ

ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Вінницькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ткаченко Станіслав Йосипович,

завідувач кафедри теплоенергетики

Вінницького національного технічного університету

Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дорошенко Олександр Вікторович,

професор кафедри технічної термодинаміки

Одеської державної академії холоду

Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, доцент

Пуховий Іван Іванович,

доцент кафедри теоретичної та промислової теплотехніки Національного технічного університету “Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України

(м. Київ)

Захист відбудеться “ 14 ” червня 2006 р. о 14.00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “_11_” ___травня____ 2006_ р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Філоненко В. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.

За нашого часу, коли економія паливно-енергетичних ресурсів і охорона навколишнього середовища набувають все більш пріоритетного значення, задача підвищення енергоефективності теплотехнологічних систем стає особливо актуальною. Одним із засобів економії органічного палива в таких системах є впровадження теплонасосних установок (ТНУ). На сучасному етапі розвитку науки теплові насоси є майже єдиним засобом для енергетичного використання скидної низькотемпературної теплоти.

ТНУ є корисними в екологічному плані. Відсутність в теплових насосах процесу горіння призводить до зменшення забруднення повітряного басейну. Утилізація в ТНУ низькотемпературних теплових відходів є одним з ефективних напрямків захисту біосфери від теплового забруднення.

Технологія теплопостачання з використанням теплових насосів застосовується практично в усіх розвинених країнах світу. Всі широкомасштабні програми з енергозбереження, що реалізуються за кордоном, передбачають їх широке впровадження. Необхідність робіт по створенню і широкому впровадженню теплових насосів знаходить все більше визнання.

В Україні значного впровадження ТНУ в теплоенергетичну галузь не спостерігається. Роботи з впровадження ТНУ перебувають, в основному, на стадії окремих досліджень. До факторів, які на теперішній час стимулюють впровадження ТНУ в промисловість і муніципальну енергетику слід віднести дефіцит паливних ресурсів, а також екологічні переваги ТНУ в порівнянні з альтернативними низькотемпературними джерелами теплопостачання. Для теплотехнологічних систем підприємств України недостатніми є системні дослідження умов теплопостачання цих підприємств з використанням теплових насосів.

Таким чином, проведення досліджень з підвищення енергоефективності джерел теплопостачання з використанням ТНУ, а також моделювання реальної роботи теплонасосних установок в системах теплопостачання є актуальним.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тематика дисертаційних досліджень відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки "Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток" та "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі", затвердженим Законом України "Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки" № 2623 – III від 11 липня 2001 р. Робота виконувалась у відповідності з тематикою держбюджетної науково - дослідної роботи Вінницького національного технічного університету № 82-Д-276 "Зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище в підсистемах енергозабезпечення систем біоконверсії" (2005 р., Міністерство освіти і науки України, № держ. реєстр. 0105U002425). Автор дисертації брав безпосередню участь в науково - дослідній роботі як виконавець. Тема дисертації відповідає напрямку наукових досліджень кафедри теплоенергетики Вінницького національного технічного університету "Тепломасообмін та гідродинаміка в теплотехнологічних установках, синтез теплотехнологічних та біотехнологічних систем і установок". Дисертаційна робота виконана у відповідності з Законом України “Про енергозбереження”, затвердженим Постановою Верховної Ради № 75/94-ВР від 01.07.94 р. зі змінами, внесеними згідно з Законами №783-XIV від 30.06.99 р., №2509-IV від 05.04.05 р. та №3260-IV від 22.12.05 р.

Мета та завдання дослідження.

Метою роботи є підвищення енергоефективності джерел теплопостачання шляхом використання парокомпресійних теплонасосних установок в системах теплопостачання з урахуванням комплексного впливу типу приводу компресора ТНУ, схемних рішень та режимів роботи; визначення умов раціонального комбінування джерел теплопостачання і теплонасосних установок в системах теплопостачання, розробка методичних основ синтезу джерел теплопостачання з тепловими насосами.

Реалізація мети роботи потребує вирішення наступних завдань:

1. Аналіз існуючих досліджень джерел теплопостачання з тепловими насосами та відповідного устаткування.

2. Систематизація та узагальнення літературної інформації з розробки, дослідження та впровадження теплонасосних установок в системах теплопостачання.

3. Розробка узагальненої теплотехнологічної системи з теплонасосною установкою.

4. Розробка методичних основ синтезу на основі узагальненої системи реальних схем джерел теплопостачання з тепловими насосами для конкретних умов функціонування з використанням різних схемних рішень, врахуванням типу приводу та режимів роботи.

5. Розробка математичного опису джерела теплопостачання з тепло-насосною установкою з різними видами приводу компресора.

6. Визначення впливу температур підведення та відведення теплоти, а також температури навколишнього середовища на показники ефективності роботи ТНУ з метою прогнозування раціональних режимів роботи.

7. Дослідження впливу схеми включення конденсаторів та випарників теплових насосів на ефективність роботи ТНУ.

8. Дослідження ефективності роботи теплонасосних станцій (ТНС) середньої та великої потужності на базі парокомпресійних ТНУ і водогрійних котлів (ВК) з визначенням раціональних режимів роботи ТНС для теплопостачання.

9. Дослідження комплексного впливу типу приводу (електропривод, привод компресора від двигуна внутрішнього згорання (ДВЗ) та від газотурбінної установки (ГТУ)), схем та режимів роботи ТНС на ефективність її роботи для теплопостачання.

10. Дослідження режимів роботи системи теплопостачання з метою прогнозування раціональних режимів роботи ТНС в системі теплопостачання.

11. Встановлення адекватності результатів чисельного експерименту з результатами експериментальних досліджень показників ефективності ТНУ інших авторів.

12. Узагальнення отриманих результатів. Розробка методики розрахунків та оцінки ефективності ТНС з різним типом приводу, схемами та режимами роботи.

Об‘єктом дослідження є джерело теплопостачання з парокомпресійною теплонасосною установкою в системі теплопостачання.

Предметом дослідження є комплекс факторів, які впливають на ефективність роботи парокомпресійної ТНУ у складі джерела теплопостачання в системі теплопостачання.

Ідея роботи полягає в підвищенні енергоефективності джерел теплопостачання з теплонасосними установками в системах теплопостачання, розкритті закономірностей комплексного впливу типу приводу, схем та режимів роботи ТНС на показники ефективності її роботи в системі теплопостачання; визначенні умов раціонального комбінування джерел теплопостачання з теплонасосними установками в системах теплопостачання.

Методи досліджень.

Ефективність роботи ТНС з різним типом приводу, схемами та режимами роботи досліджувалась методами чисельного експерименту з використанням статистичних даних функціонування джерела теплопостачання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Набули подальшого розвитку методи синтезу джерел теплопостачання з тепловими насосами в частині розробки методичних основ синтезу реальних джерел теплопостачання з тепловими насосами для конкретних умов функціонування з використанням різних схемних рішень, врахуванням типу приводу та режимів роботи.

2. Удосконалено методичні основи для оцінювання ефективності функціонування джерел теплопостачання з тепловими насосами, а також для дослідження комплексного впливу типу приводу, схем та режимів роботи джерел теплопостачання з тепловими насосами на ефективність функціонування зазначених джерел теплопостачання.

3. Вперше досліджено, у зіставленні проаналізовано, а також визначено закономірності комплексного впливу типу приводу, схем включення конденсаторів теплових насосів, а також режимів роботи джерел теплопостачання з теплонасосними установками на ефективність функціонування зазначених джерел теплопостачання.

4. Вперше оцінена ефективність джерел теплопостачання з тепло-насосними установками з урахуванням типу приводу та схем, а також реальних режимів роботи джерел теплопостачання; визначено раціональні режими роботи джерел теплопостачання з теплонасосними установками для різних схемних рішень.

5. Вперше проведена кількісна та якісна оцінка впливу зовнішніх умов та схемних рішень теплонасосних установок на ефективність роботи теплонасосної установки з метою прогнозування раціональних температурних режимів роботи теплонасосних установок.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи, які захищаються.

Достовірність результатів досліджень забезпечується коректністю та строгістю постановки задачі і коректністю використаних методів чисельного експерименту при доведенні основних наукових положень. Достовірність отриманих результатів підтверджується адекватністю результатів чисельного експерименту, що отримані у дисертаційній роботі, з результатами експериментальних досліджень показників ефективності основного обладнання теплонасосних установок. Розбіжність результатів чисельного експерименту та експериментальних результатів становить від 3,5% до 14,5%.

Наукове значення роботи полягає у визначенні умов раціонального комбінування джерел теплопостачання і теплових насосів за умов різного типу приводу та схемних рішень теплонасосних установок; полягає у визначенні раціональних режимів роботи та ефективності джерел теплопостачання з теплонасосними установками для конкретних умов функціонування з урахуванням реальних режимів роботи систем теплопостачання.

Практичне значення роботи і реалізація результатів досліджень. Результати роботи є основою для розробки і вдосконалення джерел теплопостачання з теплонасосними установками.

Узагальнення результатів проведених досліджень ефективності джерел теплопостачання з теплонасосними установками дозволяє прогнозувати раціональні режими роботи зазначених джерел теплопостачання в залежності від схем, типу приводу та зовнішніх умов. Впровадження високоефективних джерел теплопостачання з теплонасосними установками, запропонованих у роботі, дозволить заощадити до 45% паливно – енергетичних ресурсів при роботі в модернізованій системі теплопостачання.

Запропонована у роботі методика дослідження та оцінки ефективності джерел теплопостачання з теплонасосними установками використовується для дослідження та проектування перспективних джерел теплопостачання з теплонасосними установками.

Державним Вінницьким проектно-конструкторським технологічним інститутом наданий висновок про впровадження методики дослідження та оцінки ефективності джерел теплопостачання з теплонасосними установками, запропонованої у роботі, для проектування систем теплопостачання з ТНУ.

Результати дисертаційної роботи передані для впровадження джерел теплопостачання з ТНУ Вінницькому міському комунальному підприємству "Вінницяміськтеплоенерго".

Результати наукових досліджень впроваджені в навчальний процес Вінницького національного технічного університету в дисциплінах "Теплотехнологічні процеси та установки", "Проектування теплоенергетичних та теплотехнологічних установок", "Холодильна техніка та технологія" для студентів спеціальності 7.090510 – теплоенергетика.

Особистий внесок здобувача.

Результати досліджень отримані автором самостійно. Постановка задачі погоджена з науковим керівником. Здобувачу особисто належить: побудова математичної моделі та аналіз результатів чисельного експерименту з визначення оптимального холодоагенту для ТНУ [1]; побудова математичної моделі ТНС з електричним приводом компресора ТНУ та аналіз результатів чисельного експерименту з визначення раціональних режимів роботи ТНС [2,3]; побудова математичної моделі ТНС з приводом компресора ТНУ від ДВЗ та аналіз результатів чисельного експерименту з визначення раціональних режимів роботи ТНС [2,4]; побудова математичної моделі ТНС з різними видами приводу компресора та аналіз результатів чисельного експерименту з визначення раціональних режимів роботи ТНС [5]; систематизація схемних рішень теплонасосних станцій, побудова математичної моделі ТНС з різними схемами та складом обладнання, аналіз результатів чисельного експерименту з визначення раціональних режимів роботи ТНС з різними схемами та складом обладнання [6,7]; систематизація інформації з розробки, дослідження та впровадження теплонасосних установок для потреб теплопостачання, розробка узагальненої схеми системи з тепловим насосом, побудова математичної моделі ТНС з різними схемами та складом обладнання та аналіз результатів чисельного експерименту з визначення раціональних режимів роботи ТНС [8].

Автором самостійно сформульовані наукові положення, практичні рекомендації і висновки. Текст дисертації написаний ним самостійно.

Апробація роботи. Основні положення та результати виконаних досліджень доповідались і обговорювались на міжнародних, всеукраїнських та регіональних конференціях: ІV-ій Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”, НТУУ “КПІ”, Київ, 2001 р.; ІІІ-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з міжнародною участю “Екологія. Людина. Суспільство”, НТУУ “КПІ”, Київ, 2000 р.; III-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Індивідуальний житловий будинок”, Вінниця, ВДТУ, 2001 р.; 69-й науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів ”Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для харчової та переробної промисловості”, НУХТ, Київ, 2003 р.; XXVI, XXVIII, XXIX, XXX, XXXI, XXXII, XXXIII, XXXIV-ій науково - технічних конференціях професорсько-викла-дацького складу, співробітників та студентів Вінницького національного технічного університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (1997, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 8 наукових працях, в тому числі 4 у журналах, що входять до відповідного Переліку ВАК України.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, п‘яти розділів, висновків, бібліографії, додатків. Основний матеріал викладено на 174 сторінках машинописного тексту, містить в собі 58 рисунків, 4 таблиці. Бібліографія містить 230 найменувань робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, подана загальна характеристика роботи, наведено нові наукові результати, показано значення роботи, результати її впровадження в наукову і промислову практику.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел, присвячених дослідженню ефективності та удосконаленню показників роботи теплотехнологічних систем з теплонасосними установками.

Значний внесок у дослідження ефективності систем з ТНУ зробили: Міхельсон В. А., Ундріц Г. Ф., Зисін В. А., Лорентцен Г., Янтовський Є. І., Пустовалов Ю. В., Проценко В. П., Морозюк Т. В., Денисова А. Є. та ін.

В цьому розділі здійснений аналіз застосування ТНУ в світовій практиці, значна увага приділяється умовам конкурентноздатності та вибору потужності ТНУ. Визначені галузі застосування та найбільш широко використовувані низькотемпературні джерела теплоти. Розглянуті технічні проблеми та економічні передумови застосування теплових насосів для опалення. Здійснено аналіз досліджень ефективності теплонасосних джерел теплопостачання. Значна увага приділялась ексергетичному аналізу систем з ТНУ. В результаті аналізу визначено, що в наявній літературі містяться досить суперечливі дані щодо ефективності застосування ТНУ в системах теплопостачання

Особливу увагу приділено дослідженням ефективності роботи теплонасосних станцій в системах теплопостачання. Розглянуті напрямки розвитку джерел теплопостачання, які пов’язані з тенденціями розвитку енергетичного комплексу країни. Здійснений аналіз застосування ТНС в світі та визначені перспективи застосування ТНС в Україні. Оцінено розробки по моделюванню теплотехнологічних систем з теплонасосними установками. Розглядалась можливість застосування когенераційних технологій в системах теплопостачання з ТНУ шляхом здійснення приводу компресора ТНУ від двигуна внутрішнього згорання або газотурбінної установки.

В результаті аналізу досліджень ефективності застосування ТНС виявлено, що недостатня увага приділялась питанням дослідження ефективності ТНС з різним типом приводу, схемами та режимами роботи. В наявній літературі відсутні системні дослідження цього питання. Відсутні комплексні дослідження впливу зовнішніх умов та схемних рішень на ефективність роботи ТНУ.

На підставі вищевикладеного сформульовано мету та завдання дослідження.

У другому розділі проведено систематизацію та узагальнення літературної інформації з розробки, дослідження та впровадження ТНУ. Систематизація інформації здійснювалась: за видом системи, яка розглядається (ТНУ, ТНС); за різновидом проблем, що розглядаються; за тепловою потужністю ТНУ; за видом джерела низькотемпературної теплоти для ТНУ (вода, повітря, грунт, водяна пара); за сферами та галузями застосування ТНУ; за наяв-ністю в літературі даних про впровадження конкретної теплонасосної системи.

На основі систематизації та узагальнення наявної літературної інформації розроблено узагальнену теплотехнологічну систему з теплонасосною установкою, яка наведена на рис. 1. Використання розробленої узагальненої теплотехнологічної системи з ТНУ дозволяє підвищити ефективність досліджень зазначених систем з використанням узагальненого математичного опису системи, дає змогу отримати та дослідити значну кількість варіантів, як існуючих, так і перспективних схем; а також покращити теплоенергетичні, ексергетичні та економічні показники розроблених систем з ТНУ. Узагальнена теплотехнологічна система з ТНУ складається з ряду підсистем, а також зв'язків між ними. Як зв'язки між підсистемами враховуються потоки теплової енергії різних температурних рівнів, потоки електричної енергії та палива. Кожна з підсистем також характеризується певним складом обладнання, схемами та режимами роботи.

На рис. 2 представлена узагальнена теплова схема джерела теплопостачання з теплонасосними установками. Для синтезу на основі узагальненої схеми гіпотез реальних схем джерел теплопостачання з ТНУ необхідні дослідження фрагментів узагальненої теплової схеми джерела теплопостачання з ТНУ, а також дослідження комплексного впливу виду приводу ТНУ, схем та режимів роботи на показники ефективності зазначених джерел теплопостачання. Із узагальненої теплової схеми джерела теплопостачання з ТНУ виділена структура досліджуваного джерела теплопостачання з ТНУ.

У третьому розділі на підставі визначеної в розділі 2 структури досліджуваного джерела теплопостачання з ТНУ розроблена структурна схема досліджуваної ТНС, визначені підсистеми, склад обладнання та зв'язки між ними.

У відповідності з структурною схемою розроблений математичний опис ексергетичного аналізу системи, підсистем та елементів підсистем. Зазначений математичний опис має блочну структуру та використовується для моделювання роботи системи з різним складом обладнання, схемами та режимами роботи.

Рис. 1. Узагальнена теплотехнологічна система з теплонасосною установкою.

Математичний опис системи складається з таких блоків математичного опису підсистем та елементів: математичний опис парокомпресійної теплонасосної установки; заміщуваної водогрійної котельні; двигуна внутрішнього згорання; системи утилізації теплоти двигуна внутрішнього згорання; газотурбінної установки; водогрійної котельні у складі теплонасосної станції; системи утилізації газотурбінної установки; ексергетичного аналізу парокомпресійної теплонасосної установки у складі теплонасосної станції; ексергетичного аналізу водогрійної котельні у складі теплонасосної станції; ексергетичного аналізу теплонасосної станції з електроприводом компресора; ексергетичного аналізу теплонасосної станції з приводом компресора від двигуна внутрішнього згорання; ексергетичного аналізу теплонасосної станції з приводом компресора від газотурбінної установки; ексергетичного аналізу заміщуваної водогрійної котельні. Зазначений математичний опис може використовуватись для моделювання роботи джерел теплопостачання з ТНУ з різним складом обладнання, схемами та режимами роботи.

Ефективність роботи джерела теплопостачання з теплонасосними установками оцінювалась за такими критеріями.

Ексергетичний ККД досліджуваного джерела теплопостачання з теплонасосною установкою (теплонасосної станції) визначається як:

, (1)

де загальна ексергія відпущеної ТНС теплоти; ексергія підведеної в ТНС теплоти або електричної енергії.

Загальна ексергія відпущеної ТНС теплоти визначається як:

, (2)

де потужність теплових споживачів, МВт; абсолютна температура навколишнього середовища, К; середньотермодинамічна температура відведення теплоти ТНС, К; tпсв, tзсв - температури прямої та зворотної сітьової води в системі теплопостачання відповідно, єС.

Ексергія підведеної у ТНС теплоти визначається як:

, (3)

де - питома ексергія палива, кДж/м3; загальна витрата робочого палива ТНС, м3/с.

Враховуючи, що та = 0,95 для природного газу, формула (3) приймає вигляд

(4)

де загальна витрата умовного палива ТНС, кг/с; - нижча теплота згорання умовного палива, МДж/кг; - нижча теплота згорання робочого палива, МДж/м3.

Загальна витрата умовного палива на ТНС визначається:

, (5)

де , - витрата умовного палива на компресор ТНУ та водогрійні котли відповідно, кг/с.

Питома витрата умовного палива на ТНС, кг/ГДж

, (6)

де - потужність теплових споживачів, МВт; яка визначається як:

= + (7)

де - потужність водогрійних котлів, МВт; - загальна теплова потужність ТНУ, МВт; яка визначається:

- для ТНУ з електроприводом = ;

- для ТНУ з приводом компресора від ДВЗ і ГТУ: QТНУ = Qк + Qут.,

де Qк – теплова потужність конденсатора ТНУ, МВт; Qут – загальна потужність теплоутилізаційного устаткування ДВЗ або ГТУ, МВт.

Частка теплової потужності ТНУ у складі ТНС

(8)

Відносний ексергетичний ККД ТНС

(9)

де - ексергетичний ККД заміщуваної водогрійної котельні.

Ексергетичний ККД ТНС з різними видами приводу компресора, з урахуванням формул (1) - (7), визначається:

- ексергетичний ККД ТНС з електроприводом компресора:

(10)

Враховуючи, що витрата умовного палива на ТНУ з електроприводом визначається як , де Nк - потужність компресора ТНУ, МВт; ес, ем – ККД електростанцій та електромереж відповідно, а витрата умовного палива на водогрійні котли у складі ТНС - , де - ККД-нетто водогрійної котельні; формулу (10) можна представити в такому вигляді:

(11)

- ексергетичний ККД ТНС з приводом компресора від ДВЗ:

(12)

Враховуючи, що витрата умовного палива на ТНУ з приводом компресора від ДВЗ визначається як ; де - питома витрата умовного палива на ДВЗ, кг/ГДж; а загальна потужність теплоутилізацій-ного устаткування ДВЗ - Qут = Qут + Qох, де Qут - потужність утилізатора відхідних газів, МВт; Qох - потужність системи охолодження ДВЗ, МВт; формулу (12) можна представити в такому вигляді:

(13)

- ексергетичний ККД ТНС з приводом компресора від ГТУ:

(14)

де Qут - потужність утилізатора відхідних газів ГТУ, МВт.

Враховуючи, що витрата умовного палива на ТНУ з приводом компресора від ГТУ визначається як ; де - питома витрата умовного палива на ГТУ, кг/ГДж; формулу (14) можна представити в такому вигляді:

(15)

Четвертий розділ присвячений дослідженню ефективності парокомпресійних теплонасосних установок. Проведено дослідження впливу зовнішніх умов на ефективність роботи ТНУ. Досліджувався вплив температур підведення і відведення теплоти, а також температури навколишнього середовища на показники ефективності роботи ТНУ. Здійснено аналіз та кількісну оцінку впливу зазначених чинників на показники ефективності ТНУ. Проведений аналіз дозволяє прогнозувати раціональні температурні режими роботи ТНУ для певних умов та використовується для узгодження між собою наявних дослідних даних з дослідження ефективності ТНУ, проведених при різних зовнішніх умовах. Результати досліджень представлені на рис. 3 та 4.

Проводилось дослідження та якісна оцінка впливу схем включення випарників та конденсаторів теплових насосів на ефективність роботи ТНУ.

Рис. 3. Значення коефіцієнта перетворення Рис. 4. Значення ексергетичного ККД ТНУ

в залежності від середньотермодинамічних температур в залежності від середньотермодинамічних температур

теплоносіїв в конденсаторі і випарнику ТНУ: теплоносіїв в конденсаторі і випарнику ТНУ:

1 – = 278 К; 2 – 283; 3 – 288; 4 – 293; 5 – 298. 1– = 278 К; 2 – 283; 3 – 288; 4 – 293; 5 – 298.

.

На рис. 5 представлені досліджувані схеми включення випарників та конденсаторів теплових насосів в ТНУ.

Рис 5. Схеми включення випарників та конденсаторів теплових насосів в ТНУ: 1 – паралельне включення випарників та конденсаторів; 2 – послідовне включення конденсаторів та паралельне включення випарників; 3 - послідовне включення випарників та паралельне включення конденсаторів; 4 - послідовне включення випарників та конденсаторів.

Результати дослідження ефективності ТНУ для розглянутих варіантів схем дозволили проаналізувати енергетичну ефективність ТНУ, визначити переваги та недоліки можливих схем включення конденсаторів і випарників, а також доцільні галузі застосування для кожної з схем ТНУ.

В п’ятому розділі наведено результати досліджень ефективності тепло-насосних станцій з різним типом приводу, схемами та режимами роботи в системі теплопостачання. На підставі наведених на рис. 1 та 2 узагальнених та розробленої в розділі 3 структурної схеми системи визначені принципові схеми ТНС з різними схемами ТНУ та видами приводу компресора. Досліджувалась ефективність ТНС з електроприводом компресора ТНУ, приводом компресора від двигуна внутрішнього згорання та від газотурбінної установки.

Проводилось моделювання роботи ТНС потужністю 60 МВт для кількох режимів роботи системи теплофікації. Розглядались варіанти роботи ТНС з такими температурами прямої сітьової води Тпсв: 90, 100, 130 і 150 С. Температура зворотної сітьової води Тзсв варіювалась від 45 до 70 С. До складу досліджуваної ТНС входили три водогрійних котли КВ-ГМ-10 з максимальною потужністю по 11,6 МВт і три аміачних ТНУ на базі турбокомпресійних агрегатів АТФТ-5-10 і випарювально-конденсаційних агрегатів АИКТ-10 з максимальною потужністю по 11,6 МВт. Низькотемпературним джерелом була стічна вода промислового підприємства з температурою 25С, яка охолоджувалась у випарнику ТНУ на 8 С. В основу математичної моделі досліджень були покладені рівняння для розрахунків дійсних термодинамічних циклів ТНУ, рівняння матеріальних і теплових балансів елементів схеми ТНС, паспортні дані агрегатів ТНУ і ВК. Варіантні розрахунки здійснювались за умовами: Ттн=var, Тзсв=const і Тзсв=var, Ттн=const, де Ттн – температура теплоносія на виході з конденсатора ТНУ. За порівняльний варіант приймався варіант роботи водогрійної котельні, до складу якої входило шість водогрійних котлів КВ-ГМ-10. Для досліджуваних схем визначались значення коефіцієнта перетворення ТНУ ц = Qтну /Nк, ексергетичного ККД зе, питомої витрати умовного палива b, економії умовного палива порівняно з водогрійною котельнею ДВ та частки навантаження ТНУ в. В результаті проведених досліджень визначено раціональні режими роботи та економію палива ТНС з різними видами приводу. На рис. 6 та 7 представлені результати досліджень показників ефективності ТНС з електроприводом компресора та приводом від ДВЗ.

Рис 6. Залежності питомих витрат умовного палива Рис. 7. Показники роботи ТНУ з дизельним приводом

на ТНС з електроприводом компресора та економії компресора: 1 – питома витрата в умовного палива

умовного палива в порівнянні з водогрійною котельнею: b, кг/ГДж; 2 – ексергетичний ККД е;

1 – bТНС; 2 – bВК; 3 - В 3- коефіцієнт перетворення .

Проведено дослідження комплексного впливу типу приводу, схем включення конденсаторів теплових насосів, а також режимів роботи джерел теплопостачання з теплонасосними установками на ефективність функціонування зазначених джерел теплопостачання. Визначено, що послідовне включення конденсаторів ТНУ дозволяє здійснити підігрів води в конденсаторах на більшу величину порівняно з іншими схемами зі сталими витратами електроенергії. Визначені раціональні режими роботи та економія палива ТНС для різних схем. На рис. 8 - 11 в графічному вигляді представлені результати проведених досліджень. Тут наведені показники ефективності ТНС з різним типом приводу та схемами ТНУ для різних режимів роботи системи теплопостачання.

Режими роботи реальних систем теплопостачання відрізняються від нормативних. При роботі джерел теплопостачання з теплонасосними установками в системах теплопостачання слід враховувати сезонну нерівномірність вироблення теплової енергії та необхідність дотримання нормативних температур сітьової води за температурним графіком. З метою дослідження реальних режимів роботи системи теплопостачання було проведено збір експериментальних даних роботи опалювальної водогрійної котельні Вінницького обласного підприємства теплових мереж “Вінницятеплокомуненерго” потужністю 60 МВт за період 1996 – 2002 рр. Проводився аналіз температур прямої та зворотної сітьової води в системах теплопостачання та теплової потужності котельні протягом року та за досліджуваний період.

Значення температур прямої та зворотної сітьової води осереднювались за добу та за місяць; враховувались максимальні, мінімальні та осереднені значення температур. Значення теплової потужності котельні осереднювались протягом місяця, а також визначались мінімальне, максимальне та середньорічне навантаження. Проводилось зіставлення реальних та нормативних температурних режимів роботи водогрійної котельні. На рис. 12 наведені осереднені значення теплової потужності котельні, а також осереднені значення температур прямої та зворотної сітьової води за період 1996 – 2000 рр. в залежності від періоду року. Результати досліджень дозволяють визначити реальні режими роботи водогрійної котельні протягом року та необхідні теплові навантаження за умови цілорічної роботи котельні.

Рис. 8. Залежності зміни питомої витрати Рис. 9. Значення економії умовного палива

умовного палива b, кг/ГДж в залежності від темпе- ТНС порівняно з роботою водогрійної котельні

ратури прямої сітьової води: -ТНС з електропри- в залежності від температури зворотної сітьової води

водом та паралельним включенням конденсаторів; за умови раціонального підігріву води в

^ - ТНС з електроприводом та послідовним конденсаторах : -ТНС з приводом від ДВЗ та

включенням конденсаторів; - ТНС з приводом послідовним включенням конденсаторів ;

від ДВЗ та паралельним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ДВЗ та паралельним

- ТНС з приводом від ДВЗ та послідовним включенням конденсаторів; ^ - ТНС з електроприводом та включенням конденсаторів. послідовним включенням конденсаторів - ТНС з

електроприводом та паралельним включенням конденсаторів.

Рис. 10. Зміна відносного ексергетичного Рис. 11. Значення частки навантаження ТНУ у складі

ККД ТНС в залежності від температури зворотної ТНС в залежності від температури зворотної сітьової

сітьової води за умови раціонального підігріву води: - ТНС з приводом від ДВЗ та послідовним

води в ТНУ: - ТНС з приводом від ДВЗ та послі- включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від

довним включенням конденсаторів; - ТНС з ДВЗ та паралельним включенням конденсаторів;

приводом від ДВЗ та паралельним включенням ^ - ТНС з електроприводом та послідовним

конденсаторів; ^ - ТНС з електроприводом та включенням конденсаторів; -ТНС з електроприводом

послідовним включенням конденсаторів; та паралельним включенням конденсаторів.

^ - ТНС з електроприводом та паралельним

включенням конденсаторів.

Аналіз реальних температурних режимів роботи котельні довів, що дійсні значення температур прямої сітьової води знаходяться в межах tпсв = 60 – 83°С при нормативних значеннях tпсв=70 - 105°С. Дійсні значення температур зворотної сітьової води становлять tзсв=31 - 44°С при нормативних значеннях tзсв = 36 - 55°С. Крім того, слід зазначити що максимальна нормативна температура прямої сітьової води для кліматичної зони м. Вінниці не перевищує 105°С. Проведений аналіз реальних режимів роботи системи теплопостачання дозволив визначити область реальних, найбільш ймовірних режимів роботи ТНС в системі теплопостачання.

Нами запропонована методика визначення частки теплової потужності ТНУ в у складі ТНС в залежності від температури зовнішнього повітря з урахуванням комплексного впливу схем включення конденсаторів ТНУ, виду приводу компресора ТНУ та режимів роботи ТНС (рис. 13). На рис. 14 представлені результати аналізу комплексного впливу вищезазначених факторів на економію умовного палива ТНС в залежності від показника в.

Рис.12. Осереднені значення теплової потужності водогрійної котельні та температур прямої та зворотної сітьової води за період 1996 - 2000 рр.

Рис. 13. Значення частки теплової потужності ТНУ в у складі ТНС в залежності від температури зовнішнього повітря: - ТНС з електроприводом та послідовним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ДВЗ та послідовним включенням конденсаторів; ^ - ТНС з приводом від ГТУ та послідовним включенням конденсаторів; – ТНС з електроприводом та паралельним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ДВЗ та паралельним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ГТУ та паралельним включенням конденсаторів.

Рис. 14. Зміна економії умовного палива ТНС порівняно з роботою водогрійної котельні в залежності від показника в: - ТНС з електроприводом та послідовним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ДВЗ та послідовним включенням конденсаторів; ^ - ТНС з приводом від ГТУ та послідовним включенням конденсаторів;

– ТНС з електроприводом та паралельним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ДВЗ та паралельним включенням конденсаторів; - ТНС з приводом від ГТУ та паралельним включенням конденсаторів.

За результатами проведених досліджень схема ТНС з послідовним включенням конденсаторів ТНУ та приводом компресора від ГТУ визнана найбільш раціональною при роботі в системі теплопостачання. Визначено, що найвища ефективність ТНС з різними видами приводу та схемами досягається при роботі в області реальних режимів роботи системи теплопостачання, тобто при температурі прямої сітьової води tпсв105?С та температурі зовнішнього повітря tз ? - 6?С.

Проводилось встановлення адекватності результатів чисельного експерименту експериментальним дослідженням інших авторів. Зіставлення результатів чисельного експерименту з експериментальними дослідженнями інших авторів довели, що методика дослідження ефективності ТНУ, запропонована у роботі, може бути використана для моделювання реальної роботи ТНУ в системі теплопостачання та оцінювання ефективності ТНУ.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведені узагальнення досліджень для підвищення енерго-ефективності джерел теплопостачання шляхом використання парокомпресійних теплонасосних установок в системах теплопостачання з урахуванням комплексного впливу типу приводу компресора ТНУ, схемних рішень та режимів роботи, що виявляється у визначенні умов раціонального комбінування джерел теплопостачання з теплонасосними установками в системах теплопостачання.

Основні наукові та прикладні результати, висновки і рекомендації роботи полягають в тому, що:

1. Проведені систематизація, аналіз та узагальнення наявної літературної інформації з розробки, дослідження та впровадження джерел теплопостачання з ТНУ виявили недостатність системних досліджень джерел теплопостачання з тепловими насосами для конкретних умов функціонування з використанням різних схемних рішень, типу приводу та режимів роботи.

2. Розроблена узагальнена теплотехнологічна система з теплонасосною установкою, набули подальшого розвитку методи синтезу джерел теплопостачання з тепловими насосами в частині розробки методичних основ синтезу реальних джерел теплопостачання з тепловими насосами для конкретних умов функціонування з використанням різних схемних рішень, врахуванням типу приводу та режимів роботи.

3. Удосконалено методичні основи для оцінювання ефективності функціонування джерел теплопостачання з тепловими насосами, а також для дослідження комплексного впливу типу приводу, схем та режимів роботи джерел теплопостачання з тепловими насосами на ефективність функціонування зазначених джерел теплопостачання. Розроблено математичний опис джерела теплопостачання з теплонасосною установкою з різними видами приводу компресора.

4. Проведена кількісна та якісна оцінка впливу зовнішніх умов та схемних рішень теплових насосів на ефективність роботи теплонасосної установки з метою прогнозування раціональних температурних режимів роботи теплонасосних установок.

В результаті аналізу проведених досліджень визначено, що:

-

- результати дослідження впливу схем включення випарників та конденсаторів теплових насосів на ефективність роботи ТНУ для розглянутих варіантів схем дозволили проаналізувати енергетичну ефективність ТНУ, визначити переваги та недоліки можливих схем включення конденсаторів і випарників. Здійснений аналіз дозволяє визначити раціональну схему ТНУ для певних умов.

5. Проведено дослідження та оцінювання ефективності функціонування джерел теплопостачання з тепловими насосами. Досліджено, у зіставленні проаналізовано, а також визначено закономірності комплексного впливу типу приводу, схем включення конденсаторів теплових насосів, а також режимів роботи джерел теплопостачання з теплонасосними установками на ефективність функціонування зазначених систем. Проведено дослідження реальних режимів роботи системи теплопостачання з метою прогнозування раціональних режимів роботи ТНС в системі теплопостачання.

Аналіз результатів проведених досліджень дозволив визначити, що:

- здійснене дослідження впливу типу приводу, схем та режимів ТНС на показники ефективності її роботи в системах теплопостачання дозволяє прогнозувати раціональні температурні режими роботи ТНС за різними схемами;

- застосування на ТНС теплонасосних установок з паралельною схемою включення конденсаторів та приводом компресорів від ДВЗ і утилізацією теплоти відхідних газів збільшує економію палива до 21% (проти 14% ТНС з електроприводом);

- застосування послідовної схеми включення конденсаторів ТНС дозволяє здійснити підігрів теплофікаційної води в конденсаторах на більшу величину. Для такої схеми ТНС раціональні температури підігріву води в ТНУ становлять 80 - 85С залежно від режиму роботи. Раціональна частка навантаження ТНУ в цьому випадку становить = 0,7 – 0,6;

- для ТНС з паралельним включенням конденсаторів раціональні температури підігріву води в ТНУ становлять 73 - 80С залежно від режиму роботи. Раціональна частка навантаження ТНУ для цієї схеми становить =

= 0,45 – 0,25;

- економія умовного палива на ТНС з послідовною схемою включення конденсаторів та електричним приводом компресорів при заміщенні котельні може бути збільшена порівняно з ТНС з паралельною схемою у 1,12 – 4 рази залежно від режиму роботи, а у середньому - у 2 рази;

- ТНС з послідовною схемою включення конденсаторів та приводом компресора від ДВЗ є ефективнішою за ТНС з електроприводом. Частка навантаження ТНУ у складі ТНС для такої схеми становить до =0,8, що суттєво впливає на економічність роботи системи;

- ТНС з приводом компресора від ДВЗ та послідовною схемою включення конденсаторів є ефективнішою за схему ТНС з паралельним включенням конденсаторів;

- ТНС з приводом компресора від ГТУ та утилізацією теплоти відхідних газів у топках водогрійних котлів забезпечує більшу частку навантаження ТНУ у складі ТНС, ніж ТНС з електроприводом чи приводом компресора від ДВЗ;

- найменші питомі витрати умовного палива забезпечує ТНС з приводом компресора від ГТУ. До неї за ефективністю наближається ТНС з приводом від ДВЗ та з електроприводом. Водогрійній котельні з ГТУ властиві найбільші питомі витрати умовного палива;

- найвища економія умовного палива спостерігається для ТНС з приводом компресора від ГТУ (до 45,25%). Економія умовного палива на ТНС з приводом від ДВЗ становить до 36,7%. Економія умовного палива на ТНС з електроприводом не перевищує 26,2%, але є вищою, ніж економія умовного палива водогрійної котельні з ГТУ;

- найбільш ефективною схемою ТНС слід вважати ТНС з приводом компресора від ГТУ;

- слід відзначити, що зменшення витрат органічного палива за рахунок впровадження ТНС зменшує витрати енергії на його видобуток та транспортування, витрати кисню на його спалювання, витрати енергії на евакуацію продуктів згорання, а головне, - зменшує кількість шкідливих викидів в атмосферу.

6. Проведено встановлення адекватності результатів чисельного експерименту експериментальним дослідженням інших авторів. Зіставлення результатів чисельного експерименту з експериментальними дослідженнями інших авторів довели, що методика дослідження ефективності ТНУ, запропонована у роботі, може бути використана для моделювання реальної роботи ТНУ в системі теплопостачання та оцінювання ефективності ТНУ.

7. В роботі запропоновані:

-

-

-

-

-

8. Отримані в роботі результати дозволяють розраховувати техніко-економічну та еколого-економічну ефективність ТНУ та