Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Воронеж, Воронежский государственный технический университет, 2006.
- 206 стр.
Специальность 05.14.04, 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника
Научный руководитель: к.т.н., доцент Мартынов Аркадий Владимирович МЭИ (ТУ)
Научный консультант: д.т.н., профессор Бараков Александр Валентинович (ВГТУ) Актуальность темы. Снижение энергоемкости экономики России рассматривается в федеральной программе ЭС-2020 как ключевой фактор сокращения затрат общества на энергообеспечение, повышение конкурентоспособности продукции отечественных товаропроизводителей и уменьшение нагрузки на окружающую среду. Исходя из этого, были определены основные приоритеты научно-технической политики в этом направлении: разработка новых энергосберегающих технологий и оборудования; использование вторичных энергетических ресурсов; использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в том числе энергетического потенциала существующих в природе градиентов температур.
Как известно, одним из эффективных энергосберегающих устройств является тепловой насос (ТН), в котором низкопотенциальная теплота различных природных и промышленных источников преобразуется в теплоту, пригодную для использования на нужды теплоснабжения.
Исследованию термодинамических процессов, происходящих в ТН, в настоящее время посвящено большое количество научных публикаций. К ним относятся работы Н.И. Гельперина, А.Ф. Иофе, Г.Ф.Ундрица, А.М.Регирера, В.А.Зысина, Е.И.Янтовского, Ю.В. Пустовалова, B.C. Мартыновского, В. М. Бродянского, Е. Я. Соколова и многих других. Однако, как показал проведенный анализ, возможности модернизации элементов теплонасосных систем теплоснабжения и поиска современных энергосберегающих технических решений далеко не исчерпаны. В связи с этим усовершенствование термодинамического цикла и конструкции ТН, оптимизация теплона-сосных систем теплоснабжения и режимных параметров этих систем являются актуальными задачами.
Настоящая работа выполнялась в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета "Физико-технические проблемы энергосбережения и экологии ", тема ГБ 01.12 (№ гос. per. 01200117677).
Цель и задачи исследования. Повышение эффективности ТН за счет рационализации термодинамического цикла и усовершенствование его конструкции, создание инженерной методики расчета оптимального распределения тепловой нагрузки между основным (ТН) и пиковым источниками теплоты в системах теплоснабжения. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- обоснование возможности усовершенствования термодинамического цикла и модернизации конструкции ТН за счет более эффективного использования потенциала перегретых паров рабочего тела на выходе из компрессора;
- создание экспериментальной установки для исследования энергетических параметров теплового насоса;
- проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности выводов теоретического исследования, а также получения эмпирических соотношений для определения энергетических характеристик теплового насоса;
- разработка и реализация методов оптимизации и инженерных расчетов параметров децентрализованных систем теплоснабжения на базе традиционного и усовершенствованного тепловых насосов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- по результатам анализа термодинамического цикла ТН при использовании эксергетического метода обоснована и экспериментально подтверждена необходимость усовершенствования его конденсатора;
- разработаны принципиальная схема двухцелевого теплового насоса (ДТН) и конструкция его конденсатора, отличающегося тем, что он состоит из двух теплообменников, предназначенных для охлаждения перегретых паров рабочего тела (ОП) и их последующей конденсации (К);
- в результате обобщения опытных данных получены эмпирические соотношения для определения энергетических характеристик ТН и ДТН;
- разработана инженерная методика расчета и оптимизации децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТН и ДТН, отличающаяся тем, что в качестве целевой функции принят расход топлива, а в качестве параметра оптимизации - температура конденсации рабочего тела Тк.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Подтверждается использованием фундаментальных методов анализа и совершенствования термодинамических циклов, а также результатами экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях.
Практическая значимость и реализация результатов.
Разработана схема ДТН с улучшенными технико-экономическими показателями, которая позволяет одновременно производить теплоноситель двух температурных уровней: 45 + 60 °С и 6СИ- 80 °С. Предложены инженерные методики расчета и оптимизации параметров децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТН и ДТН.
Материалы диссертационной работы внедрены в практику промышленных предприятий, а также использованы в учебном процессе при изложении лекционного курса и проведении практических занятий по дисциплине "Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий", а также в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на 5-й школе-семинаре "Эксергетический метод анализа технических систем и экономия энергетических и материальных ресурсов" (Запорожье, 1992), 6-й школе-семинаре "Рациональное использование энергетических и материальных ресурсов: прикладной энергетический анализ" (Николаев, 1994), международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана" (Павлодар, 1994), выставке "МЭИ -
94. Экология и медицина" (Москва, 1994), Второй Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)" СЭТТ - 2005 (Москва. 2005), научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов. Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения (Воронеж, 2004 - 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1] - развитие метода эксергетического анализа теплонасосных установок; [2, 13]- разработка энергосберегающих систем теплоснабжения на базе ТН; [3]- анализ возможности практического использования ТН на предприятиях химического профиля; [4-6, 10, 14] - обоснование возможности повышения эффективности ТН за счет разделения конденсатора на две секции: конденсации и охлаждения перегретых паров рабочего тела; [7] - экспериментальное исследование ДТН; [8. 9] - разработка схемы ДТН и конструкции конденсатора; [11, 12] - разработка инженерной методики расчета и оптимизации параметров децентрализованных систем теплоснабжения на базе ДТН и ТН.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 206 страницах. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, библиографического списка, включающего 200 наименований, двух приложений и содержит 42 рисунка и 32 таблицы. Содержание
Введение
Современное состояние вопроса использования ТНУ в системах теплоснабжения
Современный уровень развития теплонасосной техники
Основные направления развития теплонасосной техники
Совершенствование конструкций компрессоров ТН
Создание новых хладагентов для ТНУ
Совершенствование конструкции теплообменных аппаратов ТН
Исследование эффективности использования различных НПИТ
Использование низкотемпературных систем отопления
Оптимизация энергоэкономических параметров ТСТ
Выводы и постановка задач исследований
Обоснование возможности совершенствования термодинамического цикла и конструкции теплового насоса на основе эксергетического анализа
Анализ термодинамического цикла традиционного теплового насоса
Определение внутренних и внешних потерь эксергии в ТН
Определение собственных и технических потерь эксергии в ТН
Потери эксергии в компрессоре ТН
Потери эксергии в конденсаторе
Потери эксергии в регенеративном ТОА
Потери эксергии в испарителе ТН
Методы повышения эффективности конденсатора
Сравнительный анализ предложенных методов
Анализ термодинамического цикла теплового насоса при модификации его конструкции
Экспериментальное исследование работы двухцелевого теплового насоса
Схема экспериментальной установки
Методика проведения экспериментов
Обработка опытных данных и оценка погрешностей
Анализ результатов исследований
Децентрализованные системы теплоснабжения на базе тепловых насосов
Децентрализованная система теплоснабжения на базе
традиционного (одноцелевого) теплового насоса
Децентрализованная система теплоснабжения на базе двухцелевого ТН
Основные результаты работы
Литература
Приложение. Экспериментальные данные и результаты обработки экспериментальных данных.
Приложение. Акты внедрения результатов исследований в производство и учебный процесс
Специальность 05.14.04, 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника
Научный руководитель: к.т.н., доцент Мартынов Аркадий Владимирович МЭИ (ТУ)
Научный консультант: д.т.н., профессор Бараков Александр Валентинович (ВГТУ) Актуальность темы. Снижение энергоемкости экономики России рассматривается в федеральной программе ЭС-2020 как ключевой фактор сокращения затрат общества на энергообеспечение, повышение конкурентоспособности продукции отечественных товаропроизводителей и уменьшение нагрузки на окружающую среду. Исходя из этого, были определены основные приоритеты научно-технической политики в этом направлении: разработка новых энергосберегающих технологий и оборудования; использование вторичных энергетических ресурсов; использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в том числе энергетического потенциала существующих в природе градиентов температур.
Как известно, одним из эффективных энергосберегающих устройств является тепловой насос (ТН), в котором низкопотенциальная теплота различных природных и промышленных источников преобразуется в теплоту, пригодную для использования на нужды теплоснабжения.
Исследованию термодинамических процессов, происходящих в ТН, в настоящее время посвящено большое количество научных публикаций. К ним относятся работы Н.И. Гельперина, А.Ф. Иофе, Г.Ф.Ундрица, А.М.Регирера, В.А.Зысина, Е.И.Янтовского, Ю.В. Пустовалова, B.C. Мартыновского, В. М. Бродянского, Е. Я. Соколова и многих других. Однако, как показал проведенный анализ, возможности модернизации элементов теплонасосных систем теплоснабжения и поиска современных энергосберегающих технических решений далеко не исчерпаны. В связи с этим усовершенствование термодинамического цикла и конструкции ТН, оптимизация теплона-сосных систем теплоснабжения и режимных параметров этих систем являются актуальными задачами.
Настоящая работа выполнялась в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета "Физико-технические проблемы энергосбережения и экологии ", тема ГБ 01.12 (№ гос. per. 01200117677).
Цель и задачи исследования. Повышение эффективности ТН за счет рационализации термодинамического цикла и усовершенствование его конструкции, создание инженерной методики расчета оптимального распределения тепловой нагрузки между основным (ТН) и пиковым источниками теплоты в системах теплоснабжения. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- обоснование возможности усовершенствования термодинамического цикла и модернизации конструкции ТН за счет более эффективного использования потенциала перегретых паров рабочего тела на выходе из компрессора;
- создание экспериментальной установки для исследования энергетических параметров теплового насоса;
- проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности выводов теоретического исследования, а также получения эмпирических соотношений для определения энергетических характеристик теплового насоса;
- разработка и реализация методов оптимизации и инженерных расчетов параметров децентрализованных систем теплоснабжения на базе традиционного и усовершенствованного тепловых насосов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- по результатам анализа термодинамического цикла ТН при использовании эксергетического метода обоснована и экспериментально подтверждена необходимость усовершенствования его конденсатора;
- разработаны принципиальная схема двухцелевого теплового насоса (ДТН) и конструкция его конденсатора, отличающегося тем, что он состоит из двух теплообменников, предназначенных для охлаждения перегретых паров рабочего тела (ОП) и их последующей конденсации (К);
- в результате обобщения опытных данных получены эмпирические соотношения для определения энергетических характеристик ТН и ДТН;
- разработана инженерная методика расчета и оптимизации децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТН и ДТН, отличающаяся тем, что в качестве целевой функции принят расход топлива, а в качестве параметра оптимизации - температура конденсации рабочего тела Тк.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Подтверждается использованием фундаментальных методов анализа и совершенствования термодинамических циклов, а также результатами экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях.
Практическая значимость и реализация результатов.
Разработана схема ДТН с улучшенными технико-экономическими показателями, которая позволяет одновременно производить теплоноситель двух температурных уровней: 45 + 60 °С и 6СИ- 80 °С. Предложены инженерные методики расчета и оптимизации параметров децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТН и ДТН.
Материалы диссертационной работы внедрены в практику промышленных предприятий, а также использованы в учебном процессе при изложении лекционного курса и проведении практических занятий по дисциплине "Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий", а также в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на 5-й школе-семинаре "Эксергетический метод анализа технических систем и экономия энергетических и материальных ресурсов" (Запорожье, 1992), 6-й школе-семинаре "Рациональное использование энергетических и материальных ресурсов: прикладной энергетический анализ" (Николаев, 1994), международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана" (Павлодар, 1994), выставке "МЭИ -
94. Экология и медицина" (Москва, 1994), Второй Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)" СЭТТ - 2005 (Москва. 2005), научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов. Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения (Воронеж, 2004 - 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1] - развитие метода эксергетического анализа теплонасосных установок; [2, 13]- разработка энергосберегающих систем теплоснабжения на базе ТН; [3]- анализ возможности практического использования ТН на предприятиях химического профиля; [4-6, 10, 14] - обоснование возможности повышения эффективности ТН за счет разделения конденсатора на две секции: конденсации и охлаждения перегретых паров рабочего тела; [7] - экспериментальное исследование ДТН; [8. 9] - разработка схемы ДТН и конструкции конденсатора; [11, 12] - разработка инженерной методики расчета и оптимизации параметров децентрализованных систем теплоснабжения на базе ДТН и ТН.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 206 страницах. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, библиографического списка, включающего 200 наименований, двух приложений и содержит 42 рисунка и 32 таблицы. Содержание
Введение
Современное состояние вопроса использования ТНУ в системах теплоснабжения
Современный уровень развития теплонасосной техники
Основные направления развития теплонасосной техники
Совершенствование конструкций компрессоров ТН
Создание новых хладагентов для ТНУ
Совершенствование конструкции теплообменных аппаратов ТН
Исследование эффективности использования различных НПИТ
Использование низкотемпературных систем отопления
Оптимизация энергоэкономических параметров ТСТ
Выводы и постановка задач исследований
Обоснование возможности совершенствования термодинамического цикла и конструкции теплового насоса на основе эксергетического анализа
Анализ термодинамического цикла традиционного теплового насоса
Определение внутренних и внешних потерь эксергии в ТН
Определение собственных и технических потерь эксергии в ТН
Потери эксергии в компрессоре ТН
Потери эксергии в конденсаторе
Потери эксергии в регенеративном ТОА
Потери эксергии в испарителе ТН
Методы повышения эффективности конденсатора
Сравнительный анализ предложенных методов
Анализ термодинамического цикла теплового насоса при модификации его конструкции
Экспериментальное исследование работы двухцелевого теплового насоса
Схема экспериментальной установки
Методика проведения экспериментов
Обработка опытных данных и оценка погрешностей
Анализ результатов исследований
Децентрализованные системы теплоснабжения на базе тепловых насосов
Децентрализованная система теплоснабжения на базе
традиционного (одноцелевого) теплового насоса
Децентрализованная система теплоснабжения на базе двухцелевого ТН
Основные результаты работы
Литература
Приложение. Экспериментальные данные и результаты обработки экспериментальных данных.
Приложение. Акты внедрения результатов исследований в производство и учебный процесс