автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Эффективность утилизации вторичных энергоресурсов тепловых двигателей с использованием тепловых насосов при изменении температуры наружного воздуха

На правах рукописи

ФРОЛОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА

05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□03494302

Москва -2010 г.

003494302

Работа выполнена на кафедре теплотехники и турбомашин инженерного факультета Российского университета дружбы народен

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Шаталов И.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зейгарник Ю.А.

кандидат технических наук, доцент Орехов В.К.

Ведущая организация:

Московский государственный технический университет (МЛМИ)

Защита диссертации состоится 21 апреля 2010 г. в 15 часов,

на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 в Российском университете

дружбы народов по адресу: 117302, Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российскою университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Автореферат разослан «_»марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.203.33, кандидат технических наук, доцент

Л.В. Виноградов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящее время в России предприятия энергетической отрасли потребление энергоресурсов составляет более 30% общего потребления в стране, а с учётом потребления предприятиями коммунального хозяйства - более 50%.

Работа посвящена снижению потребления топлива тепловыми двигателями, работающими в схеме с тепловыми насосами (ТЛ), путём использования тепловой энергии низкопотенциальных источников теплоты (НПИТ). Особое внимание уделено рассмотрению влияния на совместную работу теплового двигателя и ТН температуры наружного воздуха; выполнено экспериментальное исследование влияния температур ГПТИТ и теплопотребителя на работу ТН.

В ТН осуществляется обратный термодинамический цикл, повышающий температуру природных или искусственных источников (воздуха или воды), что позволяет применить эту теплоту для отопления. Таким путем можно получить в 1,5-2,0 раза больше теплоты, чем при простом сжигании топлива. Однако при этом надо произвести значительные капитальные затраты, в несколько раз превышающие те, которые необходимы для постройки обычных водогрейных котлов. Принцип работы ТН известен с XIX века. Однако их применение долго сдерживалось высокой стоимостью изготовления ТН и низкой стоимостью топлива. Высокие цены на энергоносители с одной стороны и с другой совершенствование технологий и снижение стоимости производства сложных энергетических машин изменили ситуацию. Сложились экономические основания для внедрения сравнительно сложных установок для утилизации теплоты и экономии топлива, какими являются ТН. К этому надо добавить, что экономия в погреблении тепловыми двигателями топлива одновременно уменьшает вредные выбросы в атмосферу, ее тепловое загрязнение.

Важность проблемы экономии топлива на государственном уровне подтверждается тем, что в Российской Федерации был принят в 1996 году закон об энергосбережении. Федеральный Закон «Об энергосбережении» стал первым документом в российском праве в области эффективного и рационального использования топлива - энергетических ресурсов. Этот закон утвердил основные принципы энергосберегающей политики государства, а также рыночно ориентированные механизмы её осуществления.

Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что углубленная утилизация теплоты тепловых двигателей является важнейшим направлением энергосбережения, а тема диссертации весьма актуальна.

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью более полного использования теплоты сгорания топлива при разработке и проектировании тепловых двигателей (ТД). Одним из путей повышения эффективности ТД является использование тепловых насосов (ТН) для использования теплоты НПИТ для целей отопления. Особенно важен при этом учёт влияния на условия работы ТН типа рабочего агента, параметров окружающей среды, в частности - температуры наружного воздуха. Цель диссертационно»"! работы - повышение эффективности тепловых двигателей (дизеля, ПТУ, ГТУ) при их совместной работе вместе с ТН, при централизованной схеме теплоснабжения; исследование влияния температуры

1 с;- ,'•'■

\

окружающего воздуха на характеристики энергоустановки, имеющей в своём составе ТН; определение границ эффективного использования ТН.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель и методику расчёта характеристик тепловых двигателей (дизель, ПТУ, ГТУ), работающих совместно с ТН, учитывающую влияние температуры наружного воздуха на энергетические и эксплуатационные характеристики энергоустановки.

2. Провести расчётно-теорегический анализ утилизации теплоты отработавших газов дизеля и ПГУ, теплоты циркуляционной воды ПТУ с включением в схему ТН. Определить границы эффективного использования ТН для каждого рассмотренного типа энергетических установок в зависимости от температуры наружного воздуха.

3. Исследовать количественно влияние на энергетическую эффективность ТН типа рабочего агента, совершенства теплообменников ТН, параметров НПИТ и теплопотребителя.

4. Разработать математическую модель и программу расчёта основных показателей ТН на ПЭВМ при работе на различных рабочих агентах для сложных схем ТН - ТН с многоступенчатым сжатием рабочего агента в компрессоре и ТН с параллельным соединением.

5. Подтвердить расчётно-тсорстическим анализом и экспериментально влияние температур НПИТ и теплопотребителя на коэффициент преобразования ТН (цтн).

Объект исследования. Экспериментальная часть по исследованию характеристик теплового насоса при различных температурных режимах работы (изменялись расход теплоносителей, температуры теплопотребителя и низкопотенциального источника теплоты на входе в установку) выполнена на специально созданной в лаборатории кафедры теплотехники и турбомашин Российского университета дружбы народов экспериментальной установке.

Научная новизна диссертационной работы состоит:

1. в разработке методики расчёта и получении конкретных количественных результатов по исследованию совместной работы тепловых двигателей (ПТУ, дизель-генератор, ПГУ) и ТН с учётом влияния температуры наружного воздуха;

2. в выявлении границы эффективного использования ТН в схеме с тепловыми двигателями в зависимости от температуры окружающей среды и типа теплового двигателя (ПТУ, дизель-генератор, ПГУ);

3. в проведёнии расчётно-теоретического анализа влияния типа используемого в ТН рабочего агента и применяемой тепловой схемы ТН на эксплуатационные и экономические характеристики ТН с получением конкретных количественных результатов;

4. выполнена доработка экспериментальной установки для исследования ТН при разных режимах работы;

5. предложена формула для определения коэффициента преобразования ТН.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Разработана методика учёта влияния параметров окружающей среды на эффективность применения ТН совместно с тепловыми двигателями (дизель, ПТУ, ПГУ).

2. Выполнена оценка повышения эффективности тепловых двигателей различных типов (дизель, ПТУ, ПГУ) при использовании их в схеме с ТН; определен период эффективной эксплуатации ТН в течение года для центрального региона России.

3. Выводы, полученные при анализе схем утилизации вторичных знергоресурсов тепловых энергоустановок (дизель, ПГУ, ПТУ) с применением ТН, позволяют повысить эффективность использования первичного топлива при выработке тепловой и электрической энергии на 10-25%.

4. Даны рекомендации по применению ТН в схеме с тепловыми двигателями: по подключению ТН в тепловую схему, по выбору конструктивной схемы ТН, по определению типа используемого рабочего агента.

5. Созданная для испытания теплового насоса установка позволяет производить экспериментальные работы с целью уточнения методики определения коэффициента преобразования и выявления особенностей работы ТН на различных режимах;

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, определяются методическими расчётами и контролем точности расчётов, путём сравнения результатов эксперимента с аналитическими решениями и с опубликованными расчётными и экспериментальными результатами.

Реализация результатов работы. Результаты проведенного исследования используются при выполнении научных работ кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов, а также при подготовке магистров и аспирантов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Российского университета дружбы народов на заседании секции «Теплотехника и турбомашины» (Москва, 2004 - 2010 г.г.). Диссертационная работа заслушана и обсуждена на заседании кафедры теплотехники и тепловых двигателей в 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в _5_ опубликованных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста, включая 113 рисунков и 29 таблиц. Список цитируемой литературы содержит- _112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность более полного использования теплоты сгорания топлива при производстве тепловой и электрической энергии,

повышения экономичности и экологической безопасности работы тепловых двигателей включением в схему утилизации теплоты вторичных энергоресурсов с применением тепловых насосов.

В первой главе выполнен обзор литературы, посвященный классификации вторичных энергоресурсов, образующихся при работе тепловых двигателей, и используемым в настоящее время схемам утилизации ВЭР. Рассмотрена схема утилизации ВЭР тепловых двигателей с помощью ТЫ, выполнен обзор сложных схем ТН, используемых для повышения их эффективности. Обоснованы и поставлены цель и задачи дальнейшего исследования.

В последние годы актуальность приобретает повышение .энергетической эффективности тепловых двигателей и внедрение энергосберегающих технологий. Причиной этого в первую очередь является повышение цен на энергоносители.

Увеличение стоимости энергоресурсов делает актуальным применение энергосберегающих технологий производства и потребления тепловой и электрической энергии. Энергетическая эффективность теплозых двигателей может быть повышена как совершенствованием термодинамического цикла (повышение средней температуры подвода теплоты в теплосиловой цикл и снижение средней температуры отвода теплоты из цикла), так и более полной утилизацией вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся в результате их работы.

Все ВЭР тепловых двигателей можно разделить на три группы: высокопотенциальные (температура ВЭР более 150 °С), среднепотенциалыше (от 60 до 150 °С) и низкопотенциальные (температура ВЭР менее 60 °С). В зависимости от типа теплового двигателя различаются структура ВЭР и их температурный уровень.

В настоящее время в энергетике достаточно широко применяется утилизация ВЭР среднего и высокого потенциала. В то же время количество ВЭР низкого потенциала весьма значительно и по своему объему (с учётом преимущественного использования ПТУ для производства электрической энергии в России) сравнимо с объёмом ВЭР среднего и высокого потенциала; например, только в Москве с циркуляционной водой на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» безвозвратно теряется около 26 млн. Гкал (30 млн. МВт), из них 40% в отопительный и 60% - в летний период.

До недавнего времени использование ВЭР низкого потенциала считалось неэффективным. Однако появление новых технологий утилизации ВЭР позволяет поднять эффективность использования низкопотенциальных ВЭР. Одним из таких способов утилизации низкопотенциальных ВЭР является применение тепловых насосов.

Тепловой насос осуществляет передачу внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с более высокой температурой. Энергоносители, поставляющие тепловую энергию низкого потенциала (Qo) для осуществления теплонасосного цикла, называют низкопотенциальными источниками теплоты (ПЛИТ). Энергоносители,

воспринимающие в тегоюнасосном цикле энергию повышенного потенциала О, называют теплопотребителями.

Эффективность работы теплового насоса характеризуется отношением тепла (2, полученного теплопотребителем, к потребленной ТН электрической мощности

МПР. Данную величину называют коэффициентом преобразования ТН: цтм

4' 3' х• V

Рис. 1. Схема компрессионного теплового Рис. 2. Идеальный термодинамический цикл

насоса: Д - дроссельный вентиль; И - компрессионного теплового насоса:

испаритель; К - конденсатор; КР -- Тс - температура окружающей среды

компрессор; ПО - иереохладитсль; tBb ts2 - температура теплопотребителя на входе и выходе ТН; tHi, íh2 - температура НПИТ на входе и выходе ТН.

Значение цгн всегда больше единицы; применение ТН эффективно при выполнении условия цТ1| >= 4,0 (в случае использования электропривода ТН).

Наибольшее распространение получили ТН парокомпрессионного цикла (КТН), обладающие рядом достоинств по отношению к другим типам ТН. Схема КТН приведена на рис. 1, а ее термодинамический цикл - на рис. 2. Часто для конечного потребителя требуется выработка не только тепловой, но и электрической мощности. На рис. 3 приведена схема обеспечения потребителя электрической и тепловой энергией на базе дизель-генератора и теплового насоса.

Рис. 3. Схема дизель-генераторной установки с ТН: 1 - водяной холодильник; 2 - водяной расходомер; 3 - испаритель TII; 4 -электродвигатель компрессора ТН; 5 - компрессор ТН; 6 -регулировочный вентиль; 7 - конденсатор ТН; 8 - вентиль; 9 - измеритель уровня; 10 - насос; 11 - смесительный бак; 12 - водяной расходомер; 13 - электрическая нагрузка; 14 -водогазовый теплообменник; 15 - дизель-генератор;

I - отработавшие газы; II - фреон; III,IV - вода внутреннего и второго контуров охлаждения дизеля; V - вода контура теплоотвода

Работа тепловых двигателей существенно зависит от параметров окружающей среды: температуры, давления и влажности наружного воздуха. Для стационарных тепловых двигателей колебания давления наружного воздуха незначительны (1-2%), ещё меньшее влияние оказывает изменение влажности воздуха. Наибольшее влияние на характеристики стационарных тепловых двигателей оказывает изменение температуры наружного воздуха.

На рис. 4 представлена зависимость от температуры окружающей среды Тп в

Гт э - э

относительной мощности Nr , относительного к.п.д. Г],. , относительного

расхода GK.t. и относительной температуры Тк.т. уходящих газов для газотурбинной установки в сравнении с параметрами ISO (Тн в. iso = 15 °С); на рис. 5 показана зависимость от температуры наружного воздуха tH относительной

г,- э _ э

мощности JNe , относительного к.п.д. Т]с и температуры уходящих газов Тг для дизеля 12 ЧН 18/20.

наружного воздуха (Тм.,.) на температуры наружного воздуха

параметры ГТУ

Влияние на эффективность ТН параметров окружающей среды проявляется опосредованно, как изменение температуры источника низкопотенциальной теплоты (НПИТ) и потребной температуры теплопотребителя.

Влияние параметров окружающей среды (для стационарных энергоустановок особое значение имеет температура наружного воздуха 1ц) на параметры тепловых двигателей и ТН, и, следовательно, на параметры их совместной работы, весьма существенно и требует учёта при проектировании и эксплуатации.

Дополнительно выполнен обзор способов повышения коэффициента преобразования ТН путём приближения его внутреннего цикла к циклу Лоренца, таких как параллельное соединение единичных ТН, применение многоступенчатых компрессоров, двухкомпонентных рабочих агентов. Также рассмотрены проблемы, возникшие из-за запрещения использования в холодильной технике ряда рабочих агентов в соответствии с Монреальским протоколом и Киотским соглашением.

Во второй главе проведён расчётно-теоретический анализ использования различных рабочих агентов ТН, выполнен расчёт влияния на эффективность работы ТН параметров внешней среды и внутренних потерь и расчёт для сложных схем ТН: ТН с двухступенчатым сжатием в компрессоре и многоступенчатого ТН с параллельным соединением ступеней.

Наиболее важной характеристикой ТН является его коэффициент преобразования ¡хтц. Экономически эффективным ТН можно признать в случае, когда Цтн > 4.

Особое внимание уделено сравнению характеристик рабочих агентов (РА), используемых в настоящее время, и перспективных рабочих агентов на режимах, характерных при использовании ТН для отопления/горячего водоснабжения. Основные результаты анализа эффективности применения различных РА приведены на рис. б а,б,в.

4.4 4?

34

3.2

щ

'ПЁ

__УГ,

ш

ш

1

г

Нп,

5.8 -0.6 -64 -5 2 -5 -

4.8 - ■

4.0 - ■

44 -

4.2 -

3.64

-(=|--

•г

й

435

Гг

34 3.2 -3 -2.8 2.0 24 22 2

. 2.7 В

з

V

-■.■М-'..

I |И В в < < < I ^ •» П 5 о 2 '

5 г ч г г г '

от [К с: от 5

<г " о: ¡г

в)

Рис. б. Зависимость коэффициента преобразования ТН ц гн от типа рабочего агента: а) отопление при естественных НПИТ; б) отопление при искусственных НПИТ; в) горячее водоснабжение при искусственных НПИТ

Коэффициент преобразования запрещенных к применению Монреальским протоколом рабочих агентов Группы СТС - Ш2, группы НСГ'С - 1122, Я142Ь) превосходит коэффициент преобразования остальных рабочих агентов, кроме ЛбООа (нзобутан), Я717 (аммиак), 11718 (вода).

Рабочие агенты Ш42Ь, КбООа(изобутан), 117]7(аммиак), К.410А горючи и взрывоопасны, К717(аммиак) является

высокотоксичным веществом. Их применение в качестве РА требует обеспечения должного уровня безопасности (взрывобезопасности и герметичности теплового насоса).

Наиболее перспективными из

альтернативных рабочих агентов рис; 7. Зависимость цТн от разности выходных

представляются вещества Ш34а, температур теплопотребителя и НПИТ Д1 (°С) и

ЯбООа(изобутан), Я717(аммиак) и типа рабочего агента (для фреона [К142Ь],

Я718(вода). Прочие РА имеют аммиака [11717], водяного пара [Я718])

низкий коэффициент преобразования (1*404А, 11410А, ЯС318) или же относятся к фуппе запрещённых к применению после 2020 года НСРС рабочих агентов (Ш42Ь, 11401 А) по Монреальскому протоколу.

На цПг сильное влияние оказывает также разность выходных температур теплопотребителя и НПИТ А1 (рис. 7). Эффективная работа ТН (цтн > 4) для рассмотренных рабочих агентов возможна только при Д1 < 45 °С.

Следующим по значимости фактором является совершенство теплообменных аппаратов ТН (конденсатора и испарителя), выражающееся в наличии температурного напора в теплообменниках. Увеличение температурных напоров в испарителе и конденсаторе ТН на 1 °С снижает Цщ на 4 - 5 %; при одновременном увеличении Д1И и А^ на 1 °С снижение |ага составляет около 6 %.

Остальные рассмотренные характеристики ТН - перегрев рабочего агента перед компрессором ТН и переохлаждение рабочего агента в цикле ТН -оказывают на Цтп меньшее влияние.

Одним из способов повышения эффективности ТН является приближение его внутреннего термодинамического цикла к циклу Лоренца (рис. 8) для уменьшения потерь при передаче тепла от НПИГ к РА и от РА к тенлопотребителю. Методами приближения внутреннего цикла ТН к циклу Лоренца являются применение многоступенчатого сжатия в компрессоре и/или параллельного соединения ТН.

Схема и Т-8 диаграмма ТН с применением многоступенчатого сжатия в компрессоре показана на рис. 9,10; схема и Т-Б диахрамма для параллельного соединения ТН - на рис. 11,12.

Для выполнения расчётов схем ТН с двухступенчатым сжатием РА в компрессоре и параллельного соединения ТН были разработаны соответствующие методики, учитывающие усложнение исходных схем ТН.

Применение многоступенчатого сжатия в компрессоре ТН даёт положительный эффект для рабочих агентов с высоким показателем адиабаты - аммиака (11717), водяного пара (11718), значительно увеличивая коэффициент преобразования ТН и улучшая условия работы компрессора (значительно снижается температура РА после компрессора и степень сжатия РА в отдельных компрессорах). Для РА с низким показателем адиабаты эффект выражен слабо и не оправдывает усложнения конструкции ТН (рис. 13, 14, 15).

Применение многоступенчатого ТН с параллельным соединением более эффективно при большей величине подогрева теплопотребителя ДГш (Д^н ~ 1п2 -1в|, где 1вь 1П2 - температура теплопотребителя на входе и выходе из ТН

8

Рис. 8. Сравнение работы'Ш но циклу Карно и по циклу Лоренца.

Т - температура отвода теплоты из цикла (температура теплопотребителя), То -температура подвода теплоты в цикл (температура НПИТ); Ьпр - энергия, затрачиваемая на привод компрессора 'ГН (плогдадь 1-2-3-4-1 - для цикла Карно; области с квадратной штриховкой -уменьшение потерь в цикле Лоренца).

теплоты ПТУ. Полученные результаты показывают, что ТН может использоваться при недостатке тепловой мощности ПТУ.

При работе ПТУ значительная часть тепловой энергии теряется в виде теплового сброса в конденсатор турбины, так как температурный уровень циркуляционной воды, проходящей через конденсатор (20 - 40 °С), не позволяет полезно использовать отводимую теплоту.

Использование ТН позволяет полезно использовать бросовую теплоту для подогрева сетевой воды. Проведенный в главе 2 анализ зависимости цтнот внешних условий показал, что при постоянстве параметров НПИТ наиболее эффективна работа ТН при наименьшей входной температуре теплопотребителя и минимальном значении подогрева теплопотребителя Д(.-ш- Отсюда следует, что областью применения ТН на ТЭЦ является предварительный подогрев сетевой воды перед подачей в теплофикационную установку ПТУ.

Для определения эффективности применения ТН для подогрева сетевой воды был проведён расчёт традиционной схемы подогрева сетевой воды и схем подогрева сетевой воды с помощью ТН на фреоне и водяном паре (рис. 16 а,б,в) на основе разработанных методик.

из фреоне; в) с применением ТН на водяном паре. (Е1.вг - температуры обратной и прямой сетевой воды; ¡щ.вг - энтальпия обратной и прямой сетевой воды; Св -массовый расход сетевой воды; 1ш,ц2 - начальная и конечная температура греющей среды; ¡щ нг - начальная и конечная энтальпия греющей среды.

При выполнении расчёта учитывалось влияние температуры наружного воздуха на обратную температуру сетевой воды, задаваемую в соответствии с тепловым графиком теплосети; расчёты выполнены в программном пакете Майкой МайСАБ 12.

Расчёт показывает, что теплофикация обладает высокой эффективностью и более экономична, чем применение для этой цели ТН на фреоне, во всём диапазоне подогрева сетевой воды (рис. 17а). Применение ТН с использованием в качестве рабочего агента водяного пара из цикла ПТУ более эффективно, чем теплофикация, при подогреве сетевой воды не более чем на 15 °С (рис. 176).

Для ТН, использующем в качестве РА водяной пар, подогрев сетевой воды в ТН эффективен при температуре её выхода из ТН не более 60 °С; степень повышения давления в компрессоре ТН при этом не превышает 7,5. Выявлена зависимость изменения общей мощности энергоустановки от степени подогрева

сетевой воды в ТН, имеющая оптимальное значение для каждого значения температуры наружного воздуха 1;н- Для температур наружного воздуха в диапазоне от -15°С до +15 °С оптимальное значение величины подогрева сетевой воды в ТН лежит в диапазоне 5 - 10 °С.

т—г

Т-ра №ч>>жмога Bo tjj xa I,,. flO

Рис. 17. Сравнение эффективности выработки тепловой энергии по традиционной схеме и с применением ТН в зависимости от температуры окружающего воздуха: а) применение ТП на фреоне; R142b; в) применение ТН на водяном паре R717.

В четвёртой главе выполнен расчётно-теоретический анализ применения ТН для утилизации сбросной теплоты тепловых двигателей: ПТУ с котлом-утилизатором и дизель-генератора. Разработана методика определения эффективности применения ТН для утилизации ВЭР тепловых двигателей, учитывающая влияние температуры наружного воздуха на изменение характеристик ТН и тепловых двигателей.

Для рассмотрения совместной работы ТН и ПТУ с обеспечением теплового и электрического графика нагрузок была выбрана схема, представленная на рис. 18.

Методика расчёта совместной работы ТН и тепловых двигателей учитывает влияние температуры окружающей среды на параметры работы тепловых

двигателей. Для ПТУ (ГТУ + ПТУ) они рассчитываются по формулам: Npry ^Nj^-y ■N^ryo=f(íH),

N^-jy =NnTy=consí, ЛГГУ 'Чпуо >

'Чпгу _т1ггу

N3 1+.. Ш

N3 1Nny

=*t„).

где

Рис. 18. Тепловая схема ГГГУ с углубленным использованием теплоты: Кр - компрессор ГТУ; КС - камера сгорания ГТУ; ТК - турбина компрессора ГТУ; ГТ - силовая турбина ГТУ; КУ - котел- утилизатор; ПТ - паровая турбина; К - конденсатор ПТУ; ТН - тепловой насос; ТО - теплообменник; ПК -пиковый котел

Ñ™ =1 - 0,007-|tH-tHl;so)=l-105-0.007-tu, Ti™' -l-0,TO20-(t„-tluso)=l.<B 0.002-tH.

Gro'y<=1-0'0028-(tH-W)=L(M2-a0Q28-tH> ТПУух=1 +0,0007-(t(i~tmso)=0.99+0.0007. t„ .

Расчёты режимов для различных температур наружного воздуха ^ выполнялись в программном пакете МаЛБой МаШСАО 12.

В ходе расчёта определялись значения основных параметров ГТУ и пикового котла: тепловая производительность газового подогревателя сетевой воды в КУ Рев, тепловая производительность пикового котла СЬк, потребная теплота сгорания топлива в пиковом котле ртопл пк и Для установки в целом С?топл г, электрического к.п.д. Лпгу+пк и коэффициента использования тепла топлива

Кпгу+пк установки:

'ВТК

0таш1£=0гатпк+^~=^*н)' ^пгу+пк =>> П1Л/ =®^н)> Кптпк=~лр 'Г~ Лигу *<топл1 ^топлг

Далее проводилось определение тепловой мощности ТН СЬИ; электрической энергии , затраченной на привод ТН при предварительном подогреве поступающей в установку сетевой воды на величину Д^н; потребной теплоты сгорания топлива, необходимого для генерации электроэнергии на привод ТН (2д°пл, и уточнение полученных ранее параметров энергоустановки:

Мтн Лэс

г1пк

Г\ТОПЛ _/-лТОИЛ , /--.ТОПЛ , г,ТОПЛ _ ги д, \ V -Ригу +(ЛК "+"УЦК -К%>Л1ГН;

Существует оптимальная величина подогрева сетевой воды в ТН А(:тн 0ПТ) при которой расход топлива на производство энергии в соответствии с графиком несения электрической и тепловой нагрузки минимален. Зависимость Д^н от- от 1н приведена на рис. 19 и имеет сложную форму. Это вызвано значительным

о

30 25 20 15 1 0 5 0 .5 -10 -15 -20 25 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25

Температура наружного воздуха, 1и, °С Температура наружного воздуха, ц,. °С

Рис. 19. Оптимальная величина подогрева сетевой Рис. 20. Распределение тепловой нагрузки воды в ТН Ato.iT от температуры наружного между ТН, ГПСВ ПТУ и пиковым котлом воздуха ^ при работе ТН на оптимальном режиме в

зависимости от температуры наружного воздуха 1ц

количеством факторов, влияющих на коэффициент преобразования ТН -неравномерностью графика тепловой нагрузки теплосети, ограниченной тепловой производительностью ГПСВ, зависимостью температуры обратной сетевой воды

от температуры наружного воздуха дополнительным расходом

электрической энергии на привод ТН.

Проведённый для полученных значений Мтн 0Лт расчёт показал, что использование ТН для предварительного подогрева сетевой воды позволяет уменьшить потребный расход топлива в зимний период на 11-13%. Распределение тепловой нагрузки между теплогекерирующими частями установки показа но на рис. 20.

Для рассмотрения совместной работы ТН и дизель-генератора с обеспечением теплового и электрического графика нагрузок была выбрана схема, представленная на рис. 21. Проведённый расчёт показал, что экономия топлива в отопительный период составляет 1020%; ТН обеспечивает 15-35% общей тепловой нагрузки. Оптимальная величина подогрева сетевой воды в ТН и распределение тепловой нагрузки, полученные в результате расчёта, представлены на рис. 22, 23.

По результатам выполненных расчётов показана эффективность использования рассмотренных схем для комплексного тепло- и

энергоснабжения малых городов (ГО'У) и посёлков (дизель-генератор). Экономия топлива в отопительный период составила в зависимости от температуры наружного воздуха 10-20% для дизель-генератора и 11-13% - для ПТУ с котлом-утилизатором.

Рис. 21. Схема утилизации теплоты отработавших газов дизеля в схеме с ТН. К. Кр, И - конденсатор, компрессор и испаритель ТН; ТО - теплообменник охлаждения; ГПСВ -газовый подогреватель сетевой воды; ПК -пиковый котел.

Рис. 22. Оптимальная величина подогрева сетевой воды в ТН Д1тн опт и коэффициент использования тепла топлива К в зависимости от температуры наружного воздуха ^

Температура наружного воздуха, . °С

Рис. 23. Распределение тепловой нагрузки по элементам системы «Дизель-генератор -ТН - пиковый котёл» в зависимости от температуры наружного воздуха 1н

Пятая глава посвящена экспериментальном)' исследованию ТН для определения влияния температур низкопотенциального источника теплоты (НПИТ) и тсплопотребителя на коэффициент преобразования теплового насоса. Была выполнена доработка испытательного стенда ТН и разработана методика проведения испытаний. Исследовалась работа установки на фреоне Я142Ь. Принципиальная схема установки с местами измерений параметров приведена на рис. 24.

Рис. 24. Принципиальная схема экспериментального теплового насоса: 1 - компрессор; 2 - электродвигатель; 3- конденсатор; 4 - смесительные устройства; 5- дросселирующее устройство; 6 - испаритель; 7 - ваттметр; 8 -мерные бачки; 9 - мерные диафрагмы

Результаты экспериментального исследования представлены на рис. 25, 26. Из рис. 25 видно, что при увеличении температуры потребителя теплоты 1В2 коэффициент преобразования ТН снижается. При увеличении температуры НПИТ, увеличивается тепловая мощность испарителя ТН СЬ (рис.26) и его коэффициент преобразования (рис. 27).

Полученная в ходе эксперимента и определённая расчётным путём зависимости коэффициента преобразования от разности температур теплопотребителя и НПИТ показана на рис. 25.

Совпадение расчётных и экспериментальных данных удовлетворительное; отклонение экспериментальных данных от расчётных можно объяснить изменением коэффициента теплоотдачи от оборудования ТН в окружающую среду, который при расчёте брался постоянным (по паспортным данным завода-изготовителя).

йтн

2 j

Ч

1 ч iV

. » 1 ; / ! \ ■

1 К- \ -- • \

-—J ч,

—i- г —i— 'ш'

а„, кВт

».¡р.Гс

Рис. 25. Влияние температуры потребителя теплоты 1в2 на коэффициент преобразования ТН, для различных температур НПИТ на входе в ТН:

1 - = 20 °С; 2 - ^ = 30 ПС; 3 - = 40 °С.

7

Мтн

Рис. 26. Зависимость тепловой мощности испарителя ТН Цо от начальной температуры НПИТ: 1 - при 1В2 = 30 °С; 2 - при - 55 °С.

с з

Ё 1>

§2-1

о 1

и

-г

10

~г

15

"Г

J0

Разность температур меаду потребителем теплоты и НПИТ, "С ЛТ

Рис. 27. Сравнение результатов эксперимента с теоретической зависимостью коэффициента преобразования от разности температур между потребителем теплоты и НПИТ: 1 - данные эксперимента; 2 - теоретическая зависимость (1ги от Д1 для парокомпрессионного ТН, работающего на фреоне Ш42Ь

Полученные результаты подтверждают теоретическую зависимость коэффициента преобразования ТН от разности температур теплопотребителя и низкопотенциального источника теплоты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчёта совместной работы тепловых двигателей и ТН, учитывающая влияние на их параметры температуры наружного воздуха, выполнен расчётный анализ совместной работы для дизель-генератора, ПТУ, ПТУ.

2. Определена зависимость величины подогрева теплопотребителя в ТН от температуры наружного воздуха, при которой экономия топлива от совместной работы ТН с тепловым двигателем максимальна. Для дизель-генератора, работающего в схеме с ТН, в зависимости от температуры наружного воздуха экономия топлива составила 10-20%, для ПТУ с котлом-утилизатором, работающей в схеме с ТН - 11-13%.

3. Предложена методика расчёта параметров многоступенчатого ТН с параллельным соединением, на её основе разработана математическая модель и программа расчета основных параметров многоступенчатого TII на ПЭВМ для разных рабочих агентов.

4. Проведён расчётно-теоретический анализ, в ходе которого установлено количественное влияние на коэффициент преобразования используемого в ТН рабочего агента. Лучшие характеристики получены при использовании фреона R142b, изобутана (R600a), аммиака (R717) и воды (R718).

5. Применение сложных схем ТН (двухступенчатое сжатие РА в компрессоре ТН, многоступенчатый ТН с параллельным соединением) увеличивает коэффициент преобразования по сравнению с единичным ТН эквивалентной мощности. Применение двухступенчатого сжатия в компрессоре наиболее эффективно для веществ с высоким показателем адиабаты (увеличение коэффициента преобразования составляет 19-26%).

6. Расчётным анализом показано, что для многоступенчатого ТН с параллельным соединением увеличение числа ступеней более 2-х нецелесообразно. Полученные результаты позволяют более эффективно осуществлять выбор исходных данных при проектировании.

7. Эксперимент показал, что основное влияние на коэффициент преобразования ТН оказывает разность температур между теплопотребителем и НПИТ. Совпадение полученных экспериментально и определённых расчётным путём значений коэффициента преобразования удовлетворительное.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

J. Шаталов И.К., Фролов М.Ю. Схема генлонасосной установки с параллельным подключением. //Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, - М.: РУДН, №1,2003г., - с. 103-105.

2. Барский И.А., Данилов Е.В., Фролов М.Ю. Косвенные измерения температуры газа перед турбиной ВД ГТУ КС. // НТС «Транспорт и подземное хранение газа». М., №1,2007г. - 3 стр.

3. Антипов Ю.А., Шаталов И.К., Фролов М.Ю., Магомедова Л.Б. Бинарная ГПТУ для северных широт. //Тезисы докладов VI Международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте. 10-12 декабря 2008г., М.-.ИМАШ РАН, 2008. - с. 8-9

4. Шаталов И.К., Терехов Д.В., Фролов М.Ю. Влияние рабочего тела на коэффициент преобразования теплового насоса. //Вестник международной академии холода, М: №3 2008, стр. 28-29

5. Фролов М.Ю., Шаталов И.К., Антипов Ю.А., Терехов Д.В. Влияние типа рабочего агента на характеристики теплонасосной установки. //Вестннк РУДН, серия Инженерные исследования. - М:РУДН, №2 2009. -стр. 119-123

ФРОЛОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ (РОССИЯ)

«ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА»

Исследуются способы повышения эффективности тепловых двигателей (дизеля, газотурбинных и паротурбинных установок) путём утилизации вторичных энергоресурсов с применением тепловых насосов. Разработана методика расчёта совместной работы тепловых двигателей и теплового насоса. Показано, что включение теплового насоса в схему утилизации существенно повышает эффективность использования первичного топлива. Создана математическая модель и программа расчёта основных параметров теплового насоса с учётом потерь в отдельных его элементах для усложнённых схем -теплового насоса с многоступенчатым сжатием рабочего агента в компрессоре и теплового насоса с параллельным соединением. Исследовано влияние температуры наружного воздуха на совместную работы теплового двигателя и теплового насоса, определены границы эффективного использования теплового насоса. Экспериментально подтверждено влияние температур низкопотенциального источника теплоты и теплопотребителя на эффективность работы теплового насоса.

«EFFICIENCY OF UTILIZATION OF SECONDARY POWER RESOURCE OF THERMAL ENGINE UNITS USING HEAT PUMP GIVEN THE INFLUENCE OF AMBIENT TEMPERATURE»

This work analyses methods of utilization of secondary power resource of thermal engines units (diesel engine, gas turbine and combined-cycle engine) using heat pumps.

The method for calculating the joint operation of thermal engines and heat pumps. It is shown that the inclusion of the heat pump in the recycling scheme significantly increases the efficiency of primary fuel. The mathematical model and a program for calculating the basic parameters of a heat pump, taking into account losses in its individual elements for complicated circuits - heat pump with multistage compression of the working agent in the compressor and heat pump connected in parallel. The effect of ambient temperature on the joint operation of the thermal engine and heat pump, defined boundaries effective use of the heat pump. Experiments confirm low-potential heat source temperature and heat consumer temperature influence on the efficiency of the heat pump.

MIKHAIL YU. FROLOV (RUSSIA)

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Эффективность использования вторичных энергоресурсов тепловых двигателей с помощью тепловых насосов.И

1.1. Вторичные энергоресурсы тепловых двигателей.

1.1.1. Вторичные энергоресурсы паротурбинных установок.

1.1.2. Вторичные энергоресурсы газотурбинных установок.

1.1.3. Вторичные энергоресурсы парогазовых установок.

1.1.4. Вторичные энергоресурсы двигателей внутреннего сгорания.

1.1.5. Обзор методов утилизации вторичных энергоресурсов тепловых двигателей.

1.2. Тепловые насосы.

1.3. Использование тепловых насосов совместно с тепловыми двигателями.

1.4. Применение тепловых насосов для утилизации вторичных энергоресурсов тепловых двигателей.

1.4.1. Применение тепловых насосов для утилизации вторичных энергоресурсов паротурбинных установок.

1.4.2. Применение тепловых насосов для утилизации вторичных энергоресурсов парогазовых установок.

1.4.3. Применение тепловых насосов для утилизации вторичных энергоресурсов дизель-генератора.

1.5. Влияние параметров окружающей среды на эффективность работы теплового насоса совместно с тепловыми двигателями.

1.5.1. Влияние температуры окружающей среды на параметры тепловых двигателей.

1.5.2. Влияние температуры наружного воздуха на параметры теплового насоса.

1.6. Способы повышения эффективности тепловых насосов.

1.6.1. Цикл Лоренца и способы его реализации.

1.6.2. Применение новых рабочих агентов.

1.7. Обоснование выбора задач исследования.

Выводы по Главе 1.

Глава II. Влияние параметров теплового насоса на его эффективность.

2.1. Влияние параметров единичного КТН на его эффективность.

2.1.1. Влияние типа применяемого рабочего агента.

2.1.2. Влияние разности температур между теплопотребителем и низкопотенциальным источником теплоты.

2.1.3. Влияние переохлаждения рабочего агента.

2.1.4. Влияние несовершенства теплообменников ТН.

2.1.5. Влияние перегрева рабочего агента перед компрессором ТН.

2.2. Влияние двухступенчатого сжатия в компрессоре ТН на его характеристики.

2.2.1. Методика расчёта ТН с двухступенчатым сжатием.

2.2.2. Влияние применения двухступенчатого сжатия в компрессоре на характеристики ТН.

2.3. Многоступенчатый ТН с параллельным соединением.

2.3.1. Особенности расчета ТН с применением параллельного соединения.

2.3.2. Методика расчёта.

2.3.3. Исходные параметры расчёта.

2.3.4. Влияние начальной температуры теплопотребителя.

2.3.5. Влияние количества ступеней ТН.

Выводы по Главе 2.

Глава 3. Применение тепловых насосов совместно с паротурбинными установками.

3.1. Традиционная схема подогрева сетевой воды.

3.1.1. Методика расчета традиционной схемы подогрева сетевой воды.

3.1.2. Тепловой расчет традиционной схемы подогрева сетевой воды.

3.2. Подогрев сетевой воды с использованием ТН на фреоне.

3.2.1. Тепловой расчет.

3.2.2. Анализ эффективности применения ТН для подогрева сетевой воды.

3.3. Подогрев сетевой воды при использованием в ТН водяного пара.

3.3.1. Перспективы применения водяного пара в ТН.

3.3.2. Тепловой расчет.

3.3.3. Область эффективного применения ТН, использующего в качестве РА водяной пар.

Выводы по Главе 3.

Глава 4. Влияние температуры наружного воздуха на эффективность применения тепловых насосов в когенерационных установках.

4.1. Использование ПГУ для электро- и теплоснабжения.

4.2. Использование ТН и пикового котла в схеме с ПГУ.

4.2.1. Методика расчёта.

4.2.2. Результаты расчёта.

4.3. Использование для когенерации дизель-генератора в схеме с ТН

4.3.1. Методика расчёта.

4.3.2. Результаты расчёта.

Выводы по Главе 4.

Глава 5. Экспериментальное исследование влияния температур низкопотенциального источника теплоты и теплопотребителя на коэффициент преобразования теплового насоса.

5.1. Описание экспериментального стенда.

5.2. Измеряемые параметры.

5.3. Определение погрешности измерений.

5.4. Методика обработки экспериментальных данных.

5.5. Методика проведения испытаний и анализ экспериментальных данных.

Выводы по Главе 5.

Сегодня теплоэнергетика потребляет более 30% добываемого топлива, а вместе с отопительными котельными - более 50%. Абсолютный рост потребления топлива на станциях и непрерывно возрастающая стоимость его добычи определяет необходимость его экономии.

В связи с этим приоритетным является внедрение в Российской Федерации энергосберегающих технологий на промышленных предприятиях и в коммунальном секторе. Российская тепловая энергетика в настоящее время в основном использует для генерации устаревшие паротурбинные энергоблоки, обладающие низким КПД и в значительной степени выработавшие свой ресурс, и остро нуждается в модернизации и наращивании мощностей.

Наряду со способами повышения экономичности тепловых двигателей за счёт совершенствования их конструкции и повышения параметров рабочей среды (повышение начальной температуры газа, степени повышения давления в компрессоре и др.), эффективным путем более полного использования энергии сжигаемого топлива является утилизация вторичных энергоресурсов, образующихся при работе ТД, в том числе и теплоты отработавших газов тепловых двигателей.

Диссертационная работа посвящена проблеме снижения потребления топлива тепловыми двигателями путем утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР), образующихся при их эксплуатации, в тепловых насосах (ТН). Также рассмотрен вопрос влияния на совместную работу теплового двигателя и ТН температуры наружного воздуха, выполнено экспериментальное исследование влияния изменения температур источника низкопотенциальной теплоты и потребителя на работу ТН.

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью разработки и проектирования энергетических установок с утилизацией низкопотенциальных источников теплоты при помощи тепловых насосов.

Учёт влияния на условия работы энергетической установки типа рабочего агента ТН, параметров окружающей среды, в особенности - температуры наружного воздуха, также очень важен.

Цель диссертационной работы - определение эффективности использования ТН для утилизации низкопотенциальных источников теплоты при централизованной схеме теплоснабжения, исследование влияния изменения температуры окружающего воздуха на характеристики энергоустановки, имеющей в своём составе ТН, определение границ эффективного использования ТН.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Выполнено исследование влияния температуры наружного воздуха на энергетические и эксплуатационные характеристики ТН при использовании различных рабочих агентов.

2. Проведён анализ применения усложнённых тепловых схем ТН, выполнено исследование влияния внешних параметров ТН и рабочего агента на энергетическую эффективность ТН. По полученным результатам выбраны конструктивная схема и рабочие агенты ТН для дальнейшего исследования.

3. Рассмотрено использование ТН для утилизации вторичных энергоресурсов для трёх типов тепловых энергетических установок -ПТУ, ПГУ и дизельной установки. Проведено расчётное исследование влияния температуры наружного воздуха на энергетическую эффективность энергоустановок. Существенной особенностью исследования является учёт влияния температурного и расходного графиков теплосети на эффективность применения теплового насоса для производства тепловой энергии.

4. Показано наличие оптимального режима работы ТН и его зависимость от температуры окружающей среды. Определены границы эффективного использования ТН в зависимости от типа энергетической установки и температуры наружного воздуха.

5. Проведено экспериментальное исследование влияния температур низкопотенциального источника теплоты и потребителя на коэффициент преобразования ТН (jJ-тн), подтверждающее полученные расчётные зависимости Цтн

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, определяются методическими расчётами и контролем точности расчётов путём сравнения результатов эксперимента с аналитическими решениями и с опубликованными расчётными и экспериментальными результатами.

Практическая ценность работы определяется возможностью использования рекомендаций по области применения ТН совместно с тепловыми двигателями, при выборе конструктивной схемы ТН и определении типа рабочего агента ТН, оценке энергетической эффективности и определении периода эксплуатации ТН в составе энергетических установок.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Российского университета дружбы народов на заседании секции «Теплотехника и турбомашины» (Москва, 2004 - 2010 гг.). Диссертационная работа заслушана и обсуждена на заседании кафедры теплотехники и тепловых двигателей в 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 5 опубликованных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста, включая 113 рисунков и 29 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 112 наименований.

Выводы по Главе 5

1. Проведены экспериментальные исследования ТН, работающего на рабочем агенте R142b, при различных уровнях температуры потребителя и низкопотенциального источника теплоты. Относительные погрешности измерения параметров составляли: температур воды и РА — 0,5%; расходов воды - 1,2%; тепловых потоков - 1,75%.

2. Коэффициент преобразования ТН увеличивается при уменьшении разности между температурами потребителя и низкопотенциального источника теплоты на выходе из ТН. Так, при уменьшении At с 25 °С до 12 °С коэффициент преобразования ТН увеличился с 2,45 до 4,2 (в 1,7 раза). Предложена аналитическая зависимость для определения коэффициента преобразования экспериментального ТН, выраженная формулой

И - (М9, 96-50

Итн U-4y+At + 8.603. Коэффициент преобразования ТН уменьшается при увеличении температуры потребителя на выходе из ТН. Так, для температуры низкопотенциального источника теплоты на входе в ТН, равной 30 °С, при увеличении температуры потребителя с 31 до 54 °С, коэффициент преобразования уменьшился с 4,25 до 2,21 (на 46,8%).

4. Повышение температуры низкопотенциального источника теплоты перед ТН увеличивает тепловую мощность, отводимую в испарителе ТН. Её величина зависит от потребной температуры потребителя и уменьшается при её увеличении. Так, для температуры НПИТ на входе в ТН, равной 29 °С, увеличение потребной температуры теплопотребителя с 30 до 55 °С приводит к уменьшению тепловой мощности испарителя ТН с 3,95 до 1,8 кВт.

5. При увеличении электрической мощности, затрачиваемой на привод ТН, его коэффициент преобразования уменьшается: при росте мощности привода компрессора с 1,0 до 1,57 кВт коэффициент преобразования ТН уменьшился с 3,4 до 1,8 (на 47%).

6. Проведено сравнение полученного и теоретического значения коэффициента преобразования для экспериментальной установки. Выявлены причины отклонения экспериментальных данных от теоретических.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика расчёта совместной работы тепловых двигателей и ТН, учитывающая влияние на их параметры температуры наружного воздуха, выполнен расчётный анализ совместной работы для дизель-генератора, ПТУ, ПГУ.

2. Определена зависимость величины подогрева теплопотребителя в ТН от температуры наружного воздуха, при которой экономия топлива от совместной работы ТН с тепловым двигателем максимальна. Для дизель-генератора, работающего в схеме с ТН, в зависимости от температуры наружного воздуха экономия топлива составила 10-20%, для ПГУ с котлом-утилизатором, работающей в схеме с ТН — 11-13%.

3. Проведен тепловой расчет работы ТН совместно с ПТУ, рассмотрен случай применения в качестве рабочего агента ТН водяного пара на выхлопе из ЧНД турбины. При недостатке тепловой мощности ПТУ, тепловой насос на водяном паре может использоваться для утилизации теплоты циркуляционной воды ПТУ на предварительный подогрев обратной сетевой воды.

4. Предложена методика расчёта параметров многоступенчатого ТН с параллельным соединением, на её основе разработана математическая модель и программа расчета основных параметров многоступенчатого ТН на ПЭВМ для разных рабочих агентов.

5. Проведён расчётно-теоретический анализ, в ходе которого установлено количественное влияние на коэффициент преобразования используемого в ТН рабочего агента. Лучшие характеристики получены при использовании фреона R142b, изобутана (R600a), аммиака (R717) и воды (R718).

6. Применение сложных схем ТН (двухступенчатое сжатие РА в компрессоре ТН, многоступенчатый ТН с параллельным соединением) увеличивает коэффициент преобразования по сравнению с единичным ТН эквивалентной мощности. Применение двухступенчатого сжатия в компрессоре наиболее эффективно для веществ с высоким показателем адиабаты (увеличение коэффициента преобразования составляет 1926%).

7. Расчётным анализом показано, что для многоступенчатого ТН с параллельным соединением увеличение числа ступеней более 2-х нецелесообразно. Полученные результаты позволяют более эффективно осуществлять выбор исходных данных при проектировании.

8. Эксперимент показал, что основное влияние на коэффициент преобразования ТН оказывает разность температур между теплопотребителем и НПИТ. Совпадение полученных экспериментально и определённых расчётным путём значений коэффициента преобразования удовлетворительное. Предложена аналитическая зависимость для определения коэффициента преобразования экспериментального ТН, выраженная формулой

At+ 8.60

1. Акимов В.М. Основы надежности газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1981 г.

2. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.:Изд. МЭИ, 1999г. - 168с.

3. Алтунин В.В., Геллер В.З. и др. Теплофизические свойства фреонов, в 2 т.- М.:Изд. Стандартов, 1980г. 232 с.(т.1) + 264с (т.2).

4. Антипов Ю.А. Утилизация вторичных энергоресурсов газовых двигателей и газотурбинных установок с использованием тепловых насосов. Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. — М., 2005г. -135с.

5. Барский И.А., Орехов В.К., Шаталов И.К. Расчет одно- и двухвальных газотурбинных двигателей. М.: РУДН, 1997 г.

6. Везиришвили О.Ш. и др. Энергосберегающие теплонасосные системы теплоснабжения. -М.: МЭИ, 1994 г.

7. Голубев И.Ф., Кияшова В.П. и др. Теплофизические свойства аммиака.- М.: Изд. Стандартов, 1978. 264 с.

8. Елизаров Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций. Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 264с.

9. Ионин А.А., Хлыбов В.М. Теплоснабжение. М.:Стройиздат, 1982г. -336с.

10. Коган Ю.М., Мастепанов A.M. Повышение эффективности использования энергии в жилищном секторе Дании. — МгРДИЭЭ, 1999г., 159с.

11. Лобан М.В. Повышение эффективности тепловых двигателей утилизацией тепла отработавших газов с применением теплонасосной установки. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. — М, 2004г.- 140с.

12. Мартыновский B.C. Тепловые насосы. М. - Л.: Госэнергоиздат,1955 г.

13. Мартыновский B.C. Термодинамические характеристики циклов тепловых и холодильных машин. М.: 1952 г.

14. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. — М.: Энергия, 1979 г.

15. Батенин В.М. и коллектив авторов. Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасосной установкой (ПГУ МЭС-60) для АО Мосэнерго. М., ИВТ РАН, 2001. - 38с.

16. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. — М.:Энергоатомиздат, 1985г. 304с.

17. Перелыптейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. М.: «Легкая и пищевая промышленность», 1984г., 232 с.

18. Погодин С.И. Приведение мощности дизеля к стандартным условиям. — М.: Машиностроение, 1973, -140 с.

19. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982 г.

20. Розенфельд Л.М., Ткачев А.Г. Холодильные машины и аппараты. //Гос. изд. торговой литературы. -М.: 1955г., 580 с.

21. Скалкин Ф. В, Канаев А.А., Копп А.З. Энергетика и окружающая среда. Л.: Энергоиздат, 1981 г.

22. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. //Под ред. Сакуна И.А. М.: машиностроение, 1987 г.

23. Термодинамические свойства важнейших рабочих веществ холодильных машин. Сборник трудов. Под ред. Перелыптейна И.Ш. — М.: ВНИИХОЛОДМАШ, 1976 г.

24. Трухний А.Д., Петрунин С.В. Расчет тепловых схем парогазовых установок утилизационного типа. М.: МЭИ, 2001 г.

25. Трухний А.Д., Ломакин Б.В. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: учебное пособие для вузов. М.:Изд. МЭИ, 2002г.540с.

26. Хайнрик Г., Найрок X., Нестер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения: перевод с нем. //Под ред. Явнеля Б.К. М.: Стройиздат, 1985 г.

27. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. //Под ред. С.В. Цанева М.:Изд. МЭИ, 2002г. - 584с.

28. Шаталов И.К. Определение основных параметров парогазовых установок. М.: РУДН, 1985 г.

29. Шаталов И.К., Барский И.А. Регулировочные характеристики газотурбинных установок, схемы и определение основных параметров ПГУ.- М.: РУДН, 2003 г.

30. Щегляев А.В. Паровые турбины. М.: Энергоиздат, 1993 г. 417 с.

31. Яковлев В.М. Математическая обработка результатов исследований. — М.: Физматиздат, 1988 г. 480 с.

32. Янтовский Е.И., Левин JI.A. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989 г.

33. Нормативные и распорядительные документы

34. Закон №28 -ФЗ от 03.04.96 «Об энергосбережении»

35. Закон г. Москвы №35 от 05.07.2006 «Об энергосбережении в г. Москве».

36. Концепция технического перевооружения энергетического хозяйства Московского региона // Электрические станции, №№ 5, 7-12 2006г. -70 стр.

37. Распоряжение Правительства Москвы №36-6-РП от 15.01.98 «О долгосрочной программе энергоснабжения в г. Москве»

38. Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. Утверждена распоряжением Правительства РФ №1234-р от 23 августа 2003г.

39. Официальная информация Минэнерго РФ. Концепция развития теплоснабжения в России, включая коммунальную энергетику, насреднесрочную перспективу. -М.: 2002г.1. Публикации

40. Абуев И.М. Системы теплоснабжения с применением тепловых насосов. // Новости теплоснабжения, 2006, №12 с.24-26.

41. Андрющенко А.И. Возможная экономия топлива от использования утилизационных ТНУ в системе энергоснабжения предприятий. //Промышленная энергетика, № 2, 2003 г.

42. Безлепкин В., Лапутько С. Теплофикационные парогазовые установки для замены устаревшего оборудования ТЭЦ ОАО «Ленэнерго». // Газотурбинные технологии, март 2004, с. 2-6.

43. Богданов А.Б. Котельнизация России беда национального масштаба. // Новости теплоснабжения, 2006, №№10-12, 2007, №№4,5 - 27 стр.

44. Бондин Ю.Н., Коломеев В.Н. и др. Опыт эксплуатации газотурбинной установки ГПУ-16К с впрыском пара. // Газотурбинные технологии, — 2004, июль-август. с. 18-20.

45. Бродов Ю.М. О целесообразности применения пластинчатых теплообменных аппаратов в схемах паротурбинных установок. // Электрические станции, 2006, №11 с. 30-33.

46. Энергетические газотурбинные установки и энергетические установки на базе газопоршневых и дизельных двухтопливных двигателей. Часть 1. Энергетические газотурбинные установки. — М.: Некоммерческое партнёрство «Российское теплоснабжение», 2004г., 127с.

47. Бухаркин Е.Н. Об условиях оптимального использования ГТУ в котельных. // Новости теплоснабжения, 2006, №10 с. 23-25.

48. Бушуев В.В., Троицкий А.А. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года и реальная жизнь. Что дальше? // Теплоэнергетика, 2007, №1 с. 2-8.

49. Быков А.В., Калнинь И.М., Цирлин Б.А. Основные условия эффективности тепловых насосов. М.: ВНИИ холодильного машиностроения. - 1984 г. - с. 3-17.

50. Варварский B.C. и др. Энергетическая и экологическая целесообразность применения крупных тепловых насосов для централизованного теплоснабжения. //Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве. т.1. - Рига — 1990 г. -с. 232-239.

51. Везиришвили О.Ш., Гоциридзе В.Д. Эффективность использования ТНУ в системе теплоснабжения от ТЭЦ+ГТУ. //Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве. т. 1. -Рига - 1990 г.-с. 240-248.

52. Гетманов Е.И., Тартаковская Н.А. Киотский протокол и вопросы энергетической эффективности энергетики России. // Энергетик, 2007, №4, стр. 2-3.

53. Гидаспов Б.В., Максимов Б.Н. Проблемы применения фреонов в холодильной технике. // Холодильная техника, № 9, 2000 г.

54. Гойхенберг М.М., Марчуков Е.Ю. и др. Выбор оптимальных параметров и ранжирование существующих и проектируемых энергетических ГТУ. // Газотурбинные технологии, июль-август 2004г., с.6-8

55. Грицевич И.Г. Опыт энергетических компаний в деле управления выбросами парниковых газов. // Энергетик, 2007, №4, стр. 4-5.

56. Доброхотов В.И., Зейгарник Ю.А. Теплофикация: проблемы и возможности реализации в современных условиях. // Теплоэнергетика, 2007, №1 с. 9-10.

57. Дьяков А.Ф., Попырин JI.C., Фаворский О.Н. Перспективные направления применения газотурбинных и парогазовых установок в энергетике России. //Теплоэнергетика, № 2, 1997г.

58. Дьяков А.Ф. Перспективы использования газовых турбин в электроэнергетике России. // Энергетик, №2, 2003, с. 4-10.

59. Елисеев Ю.С., Беляев В.Е. и др. ПГУ смешения: проблемы и перспективы. //Газотурбинные технологии, март 2006г., с. 18-20.

60. Жарков С.В. Перспективы отопительных ТЭЦ в России. // Теплоэнергетика, 2007, № 1-е. 11-15.

61. Жидович И.С. Системный подход к оценке эффективности тепловых насосов. //Новости теплоснабжения, № 11, 2001 г.

62. Использование сбросного тепла электротрансформаторов. //Техническая электродинамика. — 1993 г. № 5 — с. 47-49.

63. Калнинь И.М. Применение тепловых насосов для нужд теплоснабжения. //Энергетическое строительство, № 8, 1994 г.

64. Калнинь И.М. Энергосберегающие теплонасосные технологии. // Экологические системы, 2003, №6

65. Клименко В.В., Безносова Д.С., Терешин А.Г. Есть ли будущее у Киотского протокола? // Теплоэнергетика, 2006, №5, стр. 2-9.

66. Когенерация и ее применение в альтернативном энергоснабжении. // Тепло- и водоснабжение, 2006, № 6 с. 6-9.

67. Кокорин О.Я. и др. Тепловые насосы для низкотемпературного теплоснабжения и комплексного теплохладоснабжения. //Водоснабжение и сан. техника. 1990 г., № 5 - с. 23-25.

68. Кривов В.Г., Синатов С.А. и др. Дизельные электростанции с тепловыми насосами. // Двигателестроение, 1989, №1—3 стр.

69. Лихтер Ю.М., Константинов В.А., Зимина С.Д. Типовые проектные решения станций с тепловыми насосами 212 МКТ280-2-1-НТ. //Энергетик 1994 г. - № 8 - с. 22-24.

70. Масленников В.В., Павлов B.C., Ткаченко А.С. Применение теплонасосных установок в тепловых схемах ТЭС. // Энергетическое строительство, 1994, №2 3 стр.

71. Морозюк Т.В. Модель выбора теплового насоса в составе энергетической установки. // Хим. и нефтегазовое машиностроение. -1999 г. №3-с. 30-32.

72. Наумов A.JI. Мини-ТЭЦ очередной бум или объективная потребность российской энергетики. // АВОК, 2005, №7 - 3 стр.

73. Некрасов А.С., Воронина С.А. Состояние и перспективы развития теплоснабжения в России. // Энергосбережение, 2004, №3 5 стр.

74. О некоторых проблемах внедрения мини-ТЭЦ в России. // Новости теплоснабжения, 2006, №11 с. 41-43.

75. Огуречников JI.A. Сравнительный анализ парокомпрессионных и абсорбционных тепловых насосов. // Холодильная техника — 1996 г. -№8-с. 8-9.

76. Опыт финских фирм использования тепла дизельных установок. //Информационный листок фирмы «Кон Кюр». п/я 7879, штат Джорджия, США.

77. Петин А.Ю. Тепловые насосы в теплоснабжении. //Новости теплоснабжения, № 11, 2001 г.

78. Петин Ю.М. Опыт десятилетнего производства тепловых насосов в ЗАО «Энергия». //Энергетическая политика, вып. № 3, 2001 г.

79. Поваров О.А. Современные мощные парогазовые установки с КПД 5860. // Новое в российской энергетике, 2006, №9, с. 42-56

80. Проблемы использования невостребованных энергетических ресурсов в зоне МКАД. //Холодильная техника. 1999 г. - № 1 - с. 28-29.

81. Проценко В.П. Тепловые насосы в капиталистических странах. Современное состояние и направления развития. //Теплоэнергетика, №3 , 1988 г.

82. Проценко В.П. Проблемы использования теплонасосных установок в системах централизованного теплоснабжения. //Энергетическое строительство, № 2 1994 г.

83. Проценко В.П., Петров С.И., Ларкин Д.К. Анализ энергетической эффективности комбинированного источника теплоснабжения с ТНУ. // Известия ВУЗов. Энергетика. 1991 г., № 7, с. 81-87.

84. Радин. Ю.А. Освоение первых отечественных бинарных парогазовых установок. // Теплоэнергетика, 2006, №7, стр. 4-13

85. Салихов А.А. Рациональная загрузка оборудования ТЭС. //

86. Энергетические станции, 2006, №5 с. 47-50.

87. Селянкин С.В. Энергетика крупных городов. Современное состояние и развитие. // Энергосбережение, 2006, №1-2 стр.

88. Семенов В.Г. Зарубежный опыт эксплуатации систем теплоснабжения // Энергосбережение, 2005, №7 3 стр.

89. Сергеев В.В. Динамика энергопотребления Московского региона и анализ режимной ситуации зимой 2005/2006г. // Электрические станции, 2006, №12 с. 9-20.

90. Смирнов И.А., Кореннов Б.Е. Иголка Л.П. Система теплоснабжения Северных районов Москвы от Конаковской ГРЭС с применением тепловых насосов. //Теплоэнергетика. 1992 г. - № 11 - с. 33-37.

91. Смирнов И.А., Молодюк В.В., Хрилев Л.С. Определение экономической эффективности и областей применения газотурбинных теплофикационных установок средней и малой мощности. //Теплоэнергетика, № 12, 1996 г.

92. Современное состояние системы теплоснабжения в Москве и России. // Энергосбережение, 2003, №4 — 3 стр.

93. Соколов Е.А., Мартынов В.А. Энергетические характеристики газотурбинных теплофикационных установок. //Теплоэнергетика, № 12, 1994 г.

94. Соколов Ю.Н., Девянин Д.Н., Пищиков С.И. Разработка и испытание на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» лабораторного стенда по апробации схем использования ТНУ в энергетике. //Новости теплоснабжения, №9, 2000 г.

95. Чаховский В.М. Роль и место тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов Российской Федерации. //Новости теплоснабжения, №1, 2003г 3 стр.

96. Шаталов И.К., Лобан М.В. Сравнительный анализ рабочих тел для теплового насоса. Сборник научных трудов «Актуальные проблемы теории и практики инженерных исследований». М.:

97. Машиностроение, 1999 г., 106-108 с.

98. Швеция, Финляндия: обзор рынка тепловых насосов. // АВОК, 2002, №1, стр. 40-41.

99. Фардиев И., Шитарев И., Гриценко Е. Модернизация Казанской ТЭЦ-1 на основе газотурбинных технологий. // Газотурбинные технологии, март 2004, с. 24-26

100. Фомин В.Н., Емельянов В.В., Абдель Гани Хайсам. Способ утилизации теплоты отработавших газов дизелей. //Грузовик & строительные и дорожные машины, №11, 2002 г.

101. Шкур дин В.Г. Использование ТНУ для теплоснабжения очистных сооружений канализации. //Энергосберегающие технологии в области очистки природных и сточных вод М.: 1989 г., с. 35-49.

102. Яновский Н.Б., Михайлова С.А. Энергетическая стратегия и развитие теплоснабжения в России. // Энергосбережение, 2003, №6 — 4 стр.

103. Яровой Ю.В. Об опыте управления системами централизованного теплоснабжения в городах Дании. // Новости теплоснабжения, 2006, №10-с. 17-18.

104. Швед П., Новаковский Р., Шымчак П. Утилизация тепловых потерь силовых трансформаторов с помощью тепловых насосов. // Техническая электродинамика , №5, 1993 г.

105. Везиришвили О.Ш., Гоциридзе В.Д. Эффективность использования ТНУ в системе теплоснабжения от ТЭЦ+ГТУ. //Повышение эффективности использования топлива в народном хозяйстве. — т.1. -Рига 1990 г. - с. 240-248.

106. Салихов А.А. Комбинированной выработке тепловой и электрической энергии зелёный свет! // Энергетик, 2003, №2 - с. 10-14

107. Кузнецов С.В. Опыт применения поршневых двигателей для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. // «НЦ», 2004г.

108. Отчёт о НИР «Использование ТНУ в системах теплофикации г.

109. Москвы» М., МЭИ, 2001 - 112с.

110. Петросян A.JI. Теплонасосная установка для аккумуляции энергии. // Теплоэнергетика, №1,1992 г.

111. Heat pump fundamentals: Proc. of the NATO advanced study inst. On heat pump fundamentals, Espinho, Sept. 1-12, 1980/Ed:Berghmans J. Hague ets: Nishoff, 1983 -XII, 558 p.

112. Heat pumps and energy recovery. Pros, of the meet. Aug. 29-31, 1990, Stockholm / Inst, intern, du froid. Paris, 1990.

113. Esperiense aapplicative sui sostituti dell' R502 e R22 con miscele a base di R32/ R125/ R134a. / Ferrari D., Corr S., Low R., Lindley A. //Freddo -1994-48, №5, 438-446 h.

114. Das schwedische Modell: Sichere Alternativen fur FCKW //Energie 1995 -47, №10-50-52 p.112. 50 MW heat-pump converted // Energy Refr. 1995 - 22, №4-11 p.