В Г Шерстюк - Производство холода и теплоты в схемах энергетического взаимодействия холодильных и теплонасосных установок - страница 1

Страницы:
1 

80 с.

З.Зеркальцев В.И. Метод наименьших квадратов, геометрические свойства, аль­тернативные подходы, приложения. - Новосибирск: Наука, 1995. - 220 с.

Получено 11.11.2005

 

УДК 621.564

В.Г.ШЕРСТЮК

НПО «Холод» г.Харъков

ПРОИЗВОДСТВО ХОЛОДА И ТЕПЛОТЫ В СХЕМАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ И ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Анализируется целесообразность внедрения теплонасосных технологий для про­изводства низкопотенциальной теплоты на оборудовании существующих холодильных станций. Приведена схема, которая может дать существенный энергетический эффект.

Возрастающий дефицит энергоресурсов, рост цен на твердое, жидкое и газообразное топливо диктуют необходимость внедрения энергосберегающих технологий, создания новой энергосберегающей техники и вовлечения в топливно-энергетический баланс вторичных энергоресурсов и нетрадиционных природных источников энергии на базе теплонасосных установок (ТНУ). Достаточно подробный обзор современного использования ТНУ представлен в [1].

Известно, что для реализации технологических процессов в хи­мической, пищевой и деревообрабатывающей промышленности, в технологических процессах производства, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции требуются значительные количества низкопотенциальной тепловой энергии. В применяемых здесь систе­мах тепло- и хладоснабжения используются, как правило, раздельные схемы получения теплоты и холода в автономных котельных, теплоге­нераторах, электронагревателях и холодильных машинах соответст­венно. При этом теплота конденсации рабочего тела холодильных ма­шин нередко рассматривается как отходы, не подлежащие утилизации, а сжигание дефицитного органического топлива происходит в низко­эффективных котельных или индивидуальных топочных агрегатах и сопряжено с загрязнением окружающей среды.

Принимая во внимание, что большинство из указанных потреби­телей теплоты и холода во многих случаях сами являются источника­ми низкопотенциального вторичного тепла, а также то обстоятельство, что часто встречается необходимость одновременного производства и применения теплоты и холода, внедрение высокоэффективных и эко­логически чистых энергоисточников на базе теплонасосных установок

(ТНУ) представляется наиболее актуальным. Выполненные расчетные исследования и анализ богатого мирового опыта внедрения и эксплуа­тации ТНУ различного функционального назначения, подтверждают целесообразность их применения с целью экономии энергоресурсов, комплексного решения экологических и социальных проблем во мно­гих отраслях экономики.

Существующие системы потребления холода в химической и мо­лочной промышленности, на мясокомбинатах и на предприятиях пи­воварения и охлаждения складских помещений и т.д. являются энер­гоёмкими и зачастую оснащены морально и физически устаревшим оборудованием. Например, в химической промышленности работают холодильные станции, содержащие по шесть турбокомпрессорных агрегатов с электрической мощностью каждого 1500 кВт, на пивова­ренных заводах холодильные станции оснащены десятками винтовых или поршневых компрессоров электрической мощностью 20-50 кВт. Большинство холодильных станций сегодня модернизируются и пере­оснащаются новым современным оборудованием.

Анализ энергопотоков в указанных системах свидетельствует, что существует достаточно обширная область возможного использования ТНУ взамен традиционно используемых здесь теплогенераторов на органическом топливе или электрогенераторов. При этом производст­во низкопотенциального тепла для систем теплоснабжения может вы­полняться на освобождающихся мощностях холодильных машин, ко­торые высвобождаются по причине снижения потребности в холоде в результате перестройки основного производства или модернизации системы хладоснабжения. При этом помимо энергосбережения повы­шается также коэффициент использования дорогостоящего оборудо­вания холодильных машин.

Сегодня в мире [2] специальное оборудование для ТНУ не произ­водится и миллионы успешно эксплуатируемых установок созданы на элементной базе холодильных машин (ХМ) и автономных кондицио­неров. Вместе с тем, условия работы основного оборудования холо­дильных машин и тепловых насосов различны. Основное отличие ра­боты теплонасосного компрессора, например, заключается в том, что температура и давление рабочего тела в конце процесса сжатия выше, чем в холодильных компрессорах и время непрерывной его работы существенно больше. Однако, если речь не идет об оптимальных усло­виях эксплуатации, то перевод работы ХМ в режим работы ТМ не представляет особых технических трудностей.

Энергетическая эффективность использования альтернативного источника выработки теплоты по сравнению с ее производством, кпримеру, в парогенераторах или котельных может быть оценена пока­зателем ці = KajКпг , где Ка - коэффициент преобразования пер­вичной энергии альтернативного источника в теплоту. В общем виде К = QnlQ3 , где Q3 - затраченная энергия первичного топлива; Qn - часть затраченной энергии, превращенной в тепловую и пере­данную тепловому потребителю.

Например, если в качестве первичной энергии рассматривается органическое топливо при его сжигании в парогенераторе с массовым

расходом   Вт      и  теплотворной  способностью   топлива   QH,

то Q3 = ВтQHр , а ^ = QзЛЛтр . Здесь Лпг и Лтр - соответ­ственно КПД парогенератора и транспорта теплоты. Отсюда Кпг = ЛпгЧтр .

В такой интерпретации коэффициент использования первичной энергии при электоронагреве оценивается эффективностью преобразо­вания первичной энергии природного топлива в электрическую энер­гию на электростанции 7]эс, потерями энергии при транспорте элек­троэнергии Т/лэп и внутренним КПД преобразования электрической энергии в тепловую  1по формуле Кэл эсЛлэпЛэ .

Из в^іражения для y наглядно следует неэффективность прямого преобразования    электрической   энергии   в   тепловую. Приняв

Т]пг  = 0,87; Т]тр = 0,95; Т]эс = 0,38; Т]лэп =0,95; Т]э = 0,995, получим

ц = 0,435.

Для парокомпрессионного теплового насоса с приводом от элек­тродвигателя очевидно, что если Ь - коэффициент преобразования ТНУ, равный отношению генерированной теплопроизводительности к затраченной электрической энергии, то Ктн = рТ1эсЛлэп , и энергети­ческая целесообразность внедрения ТН как альтернативы традицион­ным теплогенераторам будет обеспечена при ц > 1, откуда следует, что действительная величина jB теплового насоса должна быть b > 2,29.

Для ориентировочного определения величины j в зависимости от температур конденсации Тк и испарения Т0 можно принять формулу,

полученную на основе испытаний поршневых холодильных компрес­соров, работающих с легкокипящими жидкостями [3]:

Р = 0,74 •


0,0032Г0 + 0,765


TO


+ 0,9.


Представив эту зависимость графически, линиями минимально допустимой величины /=2,29 и изотермы tк =50 оС (уровень темпера­тур пригодный для системы горячего водоснабжения или системы воз­душного отопления помещений с применением теплообменных аппа­ратов типа Fan-coil), определяется зона параметров конкурентоспособ­ной замены теплогенераторов на органическом топливе тепловыми насосами (рис.1). Более высокая температура испарения 7q или тем­пература источника низкопотенциальной теплоты Тинт и меньшая разность температур Тк — Т 0 благоприятствуют конкурентоспособ­ности систем на базе ТНУ.

Следует подчеркнуть, что предварительная оценка зоны энерге­тической конкурентоспособности ТНУ является важной при проекти­ровании систем теплоснабжения различного назначения и позволяет избежать ошибки при определении целесообразности внедрения теп-лонасосной технологии получения теплоты взамен традиционной.

С экономической точки зрения применение теплонасосной техни­ки оправдывается, если стоимость сэкономленной энергии (топлива) превышает увеличение неэнергетической части приведенных годовых затрат (капитальных затрат, затрат на обслуживание и ремонт) [4]. Для электроприводных тепловых насосов это возможно, если

 

 

 

где Хэл и Хтн " соответственно стоимость электроэнергии и заме­няемого топлива в пересчёте на его теплотворную способность, грн./кВт-ч.

Выполнение этого условия в большой степени определяется со­отношением тарифов на электроэнергию и топливо Хэл / Хтн . Расчеты показывают, что при Хэл / Хтн < 2,5 срок окупаемости ТН техники составляет 2-3 года. В «стране тепловых насосов» Швеции отношение Хэл / Хтн составляет 1,3, в Германии - 2,2. В странах бывшего СНГ это отношение было на уровне 10, что являлось одной из причин невы­годности широкого применения электроприводных ТН, несмотря на значительную экономию первичной энергии. Следует ожидать, что переход Украины на мировые цены по расчету за энергоресурсы будет благоприятствовать действительному внедрению энергосберегающих технологий в целом и теплонасосных технологий производства тепло­ты, в частности.

Во многих областях возможность использования тепла от конден­саторов работающих холодильных машин успешно реализуется с раз­личной степенью эффективности в зависимости от приоритета приме­нения теплоты или холода. С энергоэкономической точки зрения наи­более эффективны системы комбинированной выработки холода и теплоты в случае одновременного их потребления.

Энергетический показатель эффективности одновременной выра­ботки теплоты Qrn и холода Qx на одном и том же оборудовании

представляет отношение полезно используемых количеств теплоты и холода установкой ХМ-ТН к потребляемой электрической энергии на привод компрессоров, водяных насосов, воздушных вентиляторов

С = (Qm + Qx)/ ^ ^эл . Расчеты показывают, что в оптимальном режиме работы установки ХМ-ТН при  t0 = —10оС и  t к = 40-50 оС

показатель Z достигает величины 5,5 более, чем в два раза превышая низший предел целесообразного использования ТН.

В специальной литературе предлагается большое количество ва­риантов компоновки оборудования тепло- и холодосистем [5]. При выборе схемных вариантов выполняется анализ потребления и произ­водства теплоты и холода в суточном и годовом режимах. Установоч­ная мощность машин принимается обычно по требуемой холодильной нагрузке, а количество требуемой теплоты балансируется установкой доводчиков или аккумуляторов, введением рециркуляции или внут­ренней утилизации энергопотоков.

Благодаря применению аккумулятора можно также снизить мощность теплового насоса (холодильной машины) в период кратко­временной пиковой нагрузки.

В технологических процессах предприятий химической и пище­вой промышленности, на мясокомбинатах и на объектах коммунально­го хозяйства, на крупных молочных фермах и т.д. часто требуется вода двух температурных уровней. В тех случаях, когда требуется значи­тельное количество тепла при сравнительно низких температурах (35-40 оС) весьма эффективно совместное получение холода и тепла на аммиачных холодильных машинах с дожимающим термокомпрессо­ром, который является основным элементом теплонасосной установки

(рис.2).

Установка может работать как обыкновенная холодильная маши­на, не производя тепла. В этом случае термокомпрессор не работает (вентиль 12 закрыт) и аммиак совершает обычный холодильный цикл. При необходимости комбинированного производства холода и тепло­ты включается термокомпрессор (вентиль 12 открывается и вентиль 11 закрывается). Вода подогревается в конденсаторе ХМ, в охладителе аммиака после сжатия в основных компрессорах, затем в охладителе перегрева пара и конденсаторе термокомпрессора. Охлаждение аммиа­ка после основных компрессоров позволит избежать высоких темпера­тур после термокомпрессора и получить удовлетворительные значения коэффициента подачи. Совместное производство холода при темпера­туре -10 оС и теплой воды с температурой до 40 оС по данной схеме позволит получить Ьтеплового насоса больше 4,64; при этом давление паров аммиака после термокомпрессора приблизительно 15-16 бар.

По указанной схеме в принципе возможно получить и более вы­сокие температуры воды, например, используя двухступенчатый тер­мокомпрессор, однако это связано с повышением давления паров ам­миака до 30-38 бар и потребует специального оборудования. Неболь­шое количество горячей воды можно получить в аммиачном пароох­ладителе, но надо помнить, что эта доля теплоты составляет 15-20% от холодопроизводительности. Следует отметить, что использование теп­лоты перегрева пара у аммиачных компрессоров дает больший эффект,


чем у фреоновых вследствие более высокой температуры (до 100 оС и выше) перегретого аммиака в конце сжатия.

Очевидно, что далеко не всегда на существующих холодильных машинах, даже при установке термокомпрессора, может быть полно­стью удовлетворена потребность в низкопотенциальной теплоте. Од­нако при правильно организованной совместной работе ХМ и ТН мо­жет быть получена довольно значительная экономия топлива.

Разработка систем тепло- и хладоснабжения по схеме перевода работы ХМ в режим ТН является эффективным способом энергосбе­режения и охраны окружающей среды. Объединение в единые ком­плексы ХМ и ТН позволяет создать безотходные технологии в систе­мах потребления теплоты на разных температурных уровнях.

Однако соблазнительный вывод об абсолютной целесообразности замены традиционных способов получения тепла путем внедрения теплонасосных технологий неверен. Только на основе тщательного технико-экономического анализа, учитывающего большое количество факторов может быть определена целесообразность такой замены в каждом конкретном случае.

1.Товажнянский Л.Л., Капустенко П. А., Хавин Г.Л., Арсеньева О.П. Тепловые на­сосы в системах теплоснабжения // Інтегровані технології та ресурсозбереження. - 2005. - №4. - С.3-10.

2.Петин А.Ю. Тепловые насосы в теплоснабжении // Новости теплоснабжения. -2001. - №11. - С.42-49.

3.Проценко И.П., Радченко В. А. Коэффициент преобразования парокомпрессион-ных тепловых насосов // Теплоэнергетика. - 1988. - №8. - С.51-53.

4.Калнинь И.М. Техника низких температур на службе энергетики // Холодильная техника. - 1995. - №1. - С.26-29.

5.Мартыновский В.С. Тепловые насосы. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. - 191 с.

Получено 28.12.2005

 

УДК 628.511

В.Ф.ГУБАРЬ, д-р техн. наук, М.В.ВЕРЕМЕЕНКО

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. г.Макеевка

ДВИЖЕНИЕ ПЫЛИ В ЦИКЛОНАХ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

ЧАСТИЦ

Приводится решение уравнения движения частицы в циклоне с учетом инерцион­ных эффектов относительного движения частиц. Уравнение составлено в неподвижных цилиндрических координатах с учётом сил инерции, сопротивления и внешней силы для нисходящего потока, обусловленной радиальным стоком.

Циклоны являются наиболее характерными представителями су­хих инерционных пылеуловителей, которые, как правило, имеют про­стую конструкцию, обладают большой пропускной способностью и несложные в эксплуатации. Ввиду этих преимуществ циклоны полу­чили широкое распространение.

В настоящее время при определении эффективности циклонов принимается, что сила лобового сопротивления определяется законом Стокса. Закон Стокса для технических расчетов применяется до значе­ния критерия Рейнольдса менее 5, в действительности при очистке потока от пыли в циклонах Re достигает 40.

С 90-х годов прошлого столетия интенсивно ведутся работы по повышению эффективности улавливания циклонами пылевидных час­тиц средней дисперсности (10-30 мкм), поскольку применение в этом

Страницы:
1 


Похожие статьи

В Г Шерстюк - Производство холода и теплоты в схемах энергетического взаимодействия холодильных и теплонасосных установок