Публикация - Компрессор в тепловой насосной установке, как главный потребитель энергии - файл n1.doc

приобрести
Публикация - Компрессор в тепловой насосной установке, как главный потребитель энергии
скачать (827 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc827kb.08.07.2012 17:41скачать

n1.doc

Kuschev L.A. Dr. Professor of "Gas and Heat-generating installation"

Okuneva D.L. Doctor of Physical and Mathematical Sciences. Professor, Department of "Mathematics"

Zolotukhin A.P. graduate student, "Gas and Heat-generating installation"
Compressor heat pump installation, as the main consumer of energy.
Кущев Л.А. д.т.н. профессор кафедры «Газоснабжение и теплогенерирующие установки»

Окунева Д.Л. д.ф-м.н. профессор кафедры «Математики»

Золотухин А.П. аспирант кафедры «Газоснабжение и теплогенерирующие установки»
Компрессор в тепловой насосной установке, как главный потре­битель энергии.
Аннотация: В статье повествуется о проблемме энергосбережения в сфере теплоснабжения для нужд ЖКХ. Кратко описана история компрессорных установок и их виды. Содержиться описание влияющих факторов на КПД компрессоров. Приведен пример о реализации повышения коэффициента трансформации ТНУ компрессором на опыте зарубежной фирмы Mitsubishi Electric.

Ключевые слова: Тепловая насосная установка (ТНУ), энергосбережение, теплоснабжение, жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ), компрессор.

Главной идеей развития компрессоров в ТНУ является снижение их энергопотребления и приближение таких систем к уровню энергоза­трат традиционных систем теплоснабжения.

Проблема компрессионных машин в виде использования тепло­вых насосных установок для нужд ЖКХ состоит в больших эксплуата­ционных затратах перед традиционными системами водяного отопле­ния с генерацией тепла от центральных теплосетей или собственных котельных на природном газе. Дан­ная проблема связана с экономично­стью использования низкотемпературного внешнего теплового источ­ника для получения горячей воды высо­кой температу­ры. Высокая стои­мость электроэнергии препятствует ее при­менению в широких масштабах для пикового нагрева, и в большинстве слу­чаев отопитель­ная систе­ма включает тандем — тепловой насос и котел на ор­ганическом топливе. При этом тепловой насос дает воду, нагретую до необ­ходимой температуры [1].

Центробежные компрессоры являются основным видом компрессорных машин в химическом и металлургическом производствах. Эти машины получа­ют распространение в системах магистрального газоснабжения. Ком­прессоры используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Сжатый воз­дух как энергоноситель применяется в различных пневматиче­ских устройствах на машиностроительных и металлообрабатывающих заво­дах, в горнодобываю­щей и нефтяной промышленности, при производстве строительных и ремонтных работ.






Рис.1 Поршневой Рис.2 Винтовой Рис.3 Центробежный

компрессор. компрессор. компрессор.

Компрессоры необходимы в газовой про­мышленности при добыче, транспортировке и использовании природных и искусственных газов. В химической промышленности газовые многоступенчатые компрессоры используются в цик­лах синтеза химических продуктов при высоком давлении. В последнее время сжатый воздух, получаемый от поршневых компрессоров, находит применение в текстильной промышленности как энергоноситель для проведения ткацкого процесса. В установках умеренного и глубокого холода, а также в газотур­бинных установках компрессоры являются органической частью, в значитель­ной степени, определяющей экономичность агрегатов [7].

Для сопоставления эффективности тепловых насосов и традици­онных генераторов теплоты, например котельных, а также сравнения тепловых насосов разных принципов действия, например парокомпрессионного с приводом ком­прессора от электродвигателя и абсорб­ционного, потребляющего тепловую энергию, применяют обобщенный критерий - коэффициент ис­пользования пер­вичной энергии К. Он определяется как отношение полезной теплоты теплового насоса к теп­лотворной способности израсходованного топлива (7 Гкал на 1 т условного топлива; 1 Гкал = 4,1868-10^9 Дж)

Парокомпрессионные тепловые насосы с приводом от теплового двигателя, например от газовой турбины или дизельного двигателя, оказываются бо­лее экономичными. Хотя КПД этих двигателей не пре­вышает 35 %, при ра­боте в составе теплового насоса может быть ути­лизирована и направлена в общий поток среды, нагреваемой тепловым насосом, большая част потерь, которые воспринимаются смазкой, охлаждающей двигатель жидкостью и вы­хлопными газами. В результа­те коэффициент использования первичной энер­гии привода возрастает в 1,5 раза, а экономичность теплового насоса обеспе­чивается при µ> 2,0.

В жилищнокоммунальном секторе  теплонасосные установки находят наибольшее применение (и в мировой, и российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Здесь можно выде­лить два направления: автономное теплоснабжение от теплонасосных устано­вок; использование теплонасосных установок в рамках существующих си­стем централизованного теплоснабжения.

Для автономного теплоснабжения коттеджей, отдельных домов (в том числе школ, больниц и т. п.), городских районов, населенных пунктов используют преимущественно парокомпрессионные тепловые насосы тепловой мощностью 10... 30 кВт в единице оборудования (кот­теджи, отдельные дома) и до 5 МВт (для районов и населенных пунк­тов). [2].

Теплопроизводительность полупромышленных систем Mitsubishi Electric серии ZUBADAN сохраняет номинальное значение вплоть до температуры наружного воздуха -15°С. При дальнейшем по­нижении температуры (завод-изготовитель гарантирует работоспособ­ность системы до температуры -25°С) теплопроизводительность начи­нает уменьшаться. Но при этом сохра­няется преимущество, как перед обычными системами, так и перед энергоэф­фективными системами се­рии POWER INVERTER. Уникальная технология двухфазного впрыска хладагента в компрессор обеспечивает стабильную тепло­производительность при понижении температуры наружного воздуха.

В системах ZUBADAN применяется метод парожидкостной инжекции. В режиме обогрева давление жидкого хладагента, выходя­щего из конденсатора, роль которого выполняет теплообменник вну­треннего блока, немного уменьшается с помощью расширительного вентиля. Парожидкостная смесь поступает в ресивер . Внутри ресивера проходит линия всасывания, и осуще­ствляется обмен теплотой с газо­образным хладагентом низкого давления. За счет этого температура смеси снова понижается и жидкость поступает на выход ресивера. Да­лее некоторое количество жидкого хладагента ответвляет­ся через расширительный вентиль в цепь инжекции — теплообменник. За счет этого охлаждается основной поток жидкого хладагента, проходящий че­рез теплообменник . После дросселирования с помощью расшири­тельного вентиля смесь жидкого хладагента и образовавшегося в про­цессе пониже­ния давления пара поступает в испаритель, то есть тепло­обменник наружного блока. За счет низкой температуры испарения тепло передается от наружного воздуха к хладагенту, и жидкая фаза в смеси полностью испаряется. Проходя через трубу низкого давления в ресивере , перегрев газообразного хладагента увеличивается, и он по­ступает в компрессор. Кроме того, этот ресивер сглаживает колебания промежуточного давления при флуктуациях внешней теп­ловой нагруз­ки, а также гарантирует подачу на расширительный вентиль цепи инжекции только жидкого хладагента, что стабилизирует работу этой цепи. Часть жидкого хладагента, ответвленная от основного потока в цепь инжекции, превращается в парожидкостную смесь среднего дав­ления. При этом температура смеси понижается, и она подается через специальный штуцер инжекции в компрессор. Расширительный вен­тиль задает величину переохлаждения хладагента в конденсаторе. Вен­тиль перегревателя определяет перегрев в испарителе, а температур­ный вентиль поддерживает темпе­ратуру перегретого пара на выходе компрессора около 90°С. Это происходит за счет того, что, попадая че­рез цепи инжекции в замкнутую область между спиралями компрессо­ра, двухфазная смесь перемешивается с газообразным горячим хлад­агентом, и жидкость из смеси полностью испаряется. Температура газа понижается. Регулируя состав парожидкостной смеси, можно контро­лировать температуру нагнетания компрессора. Это позволяет не толь­ко избежать перегрева компрессора, но и оптимизировать теплопроиз­водительность конденсатора .

Рис.4 Компрессор со штуцером инжекции:




Назначение: Увеличение расхода хладагента через компрессор.

Эффект: Увеличение теплопроизводительности при низкой температуре наружного воздуха. Повышение температуры воздуха на выходе внутрен­него блока. а также сокращение длительности режима оттаивания.

Инжекция жидкого хладагента создает существенную нагрузку на компрессор, снижая его энергетическую эффективность. Для умень­шения этой нагрузки введен теплообменник . Передача теплоты между потоками хлад­агента с разными давлениями приводит к тому, что часть жидкости испаряется. Образовавшаяся парожидкостная смесь при инжекции в компрессор со­здает меньшую дополнительную на­грузку. Парожидкостная смесь, прошед­шая теплообменник , поступает через штуцер инжекции в компрессор. Та­ким образом, компрессор имеет два входа: штуцер всасывания и штуцер инжекции. Управляя расходом хладагента в цепи инжекции, удается уве­личить циркуляцию хладагента через компрессор при низкой температуре наружного воз­духа, тем самым повышая теплопроизводительность системы. В верх­ней неподвижной спирали компрессора предусмотрены отверстия для впрыска хладагента на промежуточном этапе сжатия.[3].

На механизм движения компрессора во время его работы дей­ствуют следующие силы.

Силы, возникающие при возвратно-поступательном движении:

1.1. .Силы давления газа на поршень.

1.2. .Силы инерции движущихся масс .

1.3. Силы трения, возникающие при этом движении .

Все эти силы в зависимости от угла поворота вала компрессора меняются по величине и направлению, хотя линия их действия совпа­дает с осью цилиндра. Условия силы, направленные в сторону коленча­того вала (сжимаю­щие шток или шатун), считать отрицательными, а силы, направленные в противоположную сторону от коленчатого вала (расстегивающие ша­тун, шток), - положительными.

Силы, действующие при вращательном движении:

2.1. Касательные силы , возникающие на пальце кривошипа от действия суммарных сил возвратно – поступательного движения.

2.2. Центробежные силы энерции вращающихся масс .

2.3. Силы трения, возникающие у вращающихся деталей механиз­ма компрессора.

3. Силы тяжести деталей компрессора. Эти силы постоянно направлены вниз, для данного компрессора постоянны по величине и обычно настолько малы в сравнении с другими действующими силами, что ими можно пренебречь [4].

Первый механический компрессор, ручные мехи, появился в се­редине третьего тысячелетия до н.э. Более мощные ножные мехи были изобретены около 1500-го года до н.э. Это было связано с тем, что сплавление меди и олова с целью получения бронзы, превратилось в стабильный производственный процесс. Подтверждение этому мы мо­жем увидеть настенных фресках древнеегипетских могил. Именно то­гда появился сжатый воздух в его сего­дняшнем понимании.

Уже в XVII. ряд ученых начали изучать физические законы, применимые к сжатому воздуху. В 1663 году Б. Паскаль опубликовал работу об уве­личении энергии путем использования жидкостей (в гид­росистемах), что было также применено к сжатому воздуху. Он обнару­жил, что энергия, произведенная одним человеком на одном конце за­крытого контейнера, была равна энергии, произведенной сотней чело­век на другом его конце. [6].

Бурное развитие машиностроение, в том числе и компрессорное оборудование, получило вначале XIX в. Работа ученых и инженеров шла сразу в двух направлениях: поршневые насосы и центробежные турбины.

Так автоматический поршневой паровой насос был разработан в середине XIX в. Вортингтоном в США. В скором времени О. Рейнольдс изменил конструкцию многоступенчатого насоса, добавив направляющие аппараты, а уже 1875 г им был получен патент на конструкцию насоса. Современное многоступенчатое компрессорное оборудование во многом похоже на прототип О. Рейнольдса.

Центробежный вентилятор был разработан в 1832 г. малоиз­вестным российским инженером А. А. Саблуковым. Немецкий ученый Ратен в 1849 г. доработал многоступенчатый поршневой компрессор, добавив промежуточных охладители между ступенями сжатия. В кон­це XIX в. развитие термоди­намики, машиностроения и металлургии достигли высокого уровня. Это поз­волило в 1884-89 гг. К.Г.П. Лавалю и Ч.А. Парсонсу одновременно создать первые промышленные паро­вые турбины.

В России инициатива производства центробежных компрессо­ров принадлежит Невскому машиностроительному заводу. Винтовой компрессор был создан в 30-е годы ХХ века. Его конструкция была запатентована в 1934 году.

В настоящее время одним из самых известных видов компрессо­ров является компрессор с производительностью равной или больше ста м3/мин. Лидирующее место занимают воздушные компрессоры, которые выпускались еще в СССР. Основной задачей воздухоочисти­теля является сжатие воз­духа. Наиболее популярными и предпочитае­мыми являются поршневые ком­прессоры (не принимая во внимание центробежных, продуктивность которых составляет от 100 м3/мин). Винтовые установки не смогли создать конкурен­цию поршневым, так как технология их производства была очень сложной. А в советское время был постоянный экономический рост.

В данный момент поршневые компрессоры стали терять свои позиции на предприятиях России, где они применялись. На их место быстрыми темпами стали приходить винтовые компрессоры. Замена компрессорного обору­дования довольно дорогостоящий и трудоемкий процесс, но многие директора компаний и предприятий осознано идут на этот шаг. И без сомнений успешно производят замену устаревшего оборудования на совершенные винтовые компрессорные установки.

Проанализированы пути создания высокоэффективных компрессионных ТНУ на водяном паре при использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты в диапазоне температур от 30 до 65 ОС с газотурбин­ным приводом компрессора и утилизацией теплоты уходящих газов из ГТУ. Результаты техникоэкономического анализа показали, что в зависимости от условий, себестоимость генерируемой теплоты ТНУ может в несколько раз быть ниже (а КИТ в несколько раз выше), чем при традиционной выработке теплоты на ТЭЦ [5].

Explored how a high-compression heat pump for water vapor when used as a low-grade heat source at temperatures ranging from 30 to 65 operating system with a gas turbine driven compressor and waste heat of flue gases from the turbine. The results of the technical and economic analysis showed that, depending on conditions, the cost of heat generated by heat pumps can be several times lower (a factor of transformation of energy several times higher) than with the traditional formulation of heat for combined heat and power [5].

В истории развития применяемые типы компрессоров в различ­ных отраслях изменялись неоднократно. На современном этапе разви­тия система ТНУ требует исследований в модернизации компрессора для сниже­ния энергозатрат, путем поиска данного решения экспериментальны­ми методами. Испытания должны подтверждать на практике реальную значимость того или иного изменения в агрегате и главное получение преимущества в энерго­затратах перед предшественниками. За ближайший период времени можно выделить наиболее эффективные изменения для работы ТНУ : применение порта инжекции в корпусе компрессора , что позволяет регулировать пара­метры хладагента и повышать производительность установки, добавление направляющих аппаратов для многоступенчатого насоса, добавление проме­жуточных охладителей между ступенями сжатия. На данном этапе развития винтовые компрессоры преобладают над поршневыми , чего нельзя было сказать в годы существования СССР. Сейчас понятно, что влияние на эффек­тивность работы ТНУ может быть от химического состава агента, геометрии теплообменника и компрессора, а также их типа, наличия устройств в конструкции ТНУ, изменяющих параметры агента такие как давление и температура.

Список литературы:

1. Балакло В. Б., Пути решения проблемы теплоснабжения в коммунальном хозяйстве с использованием тепловых насосов. Источник: журнал "Новости теплоснабжения", № 4, (20), апрель, 2002, С. 53 - 55, www.ntsn.ru

2. Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, сего­дня, завтра // Холод. техн. - 2000. - N 10. - С.2-6. - Библиогр.: 5 назв.

3. Компания Mitsubishi Electric. Каталог оборудования Zubadan «Тепловые насосы «воздух-воздух»».www.arktika.ru/catalog/zubadan.pdf

4. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. Учебник для ВУЗов.

5. Новое поколение тепловых насосов для целей теплоснабжения и эффективность их использования в условиях рыночной экономики // Материалы засе­дания подсекции Теплофикации и централизованного теплоснабжения НТС ОАО РАО «ЕЭС России», Москва, 15 сентября 2004 г.

6. Ульрих Бирбаум (Германия). История развития компрессоров. www.pk-kompressor.ru/index/?firm=1&node_id=20

7. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учеб­ник для теп­лоэнергетических специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго­атомиздат, 1984. - 416 с.
References:

1. Balakley V.B. solution to the problem of heating utilities using heat pumps. Source: magazine "News of heat supply", № 4 (20), April, 2002, p. 53 - 55, www.ntsn.ru

2. Kalnin I.M. Savitsky I.K. Heat pumps: yesterday, today and tomorrow / / Cold. tech. - 2000. - N 10. - P.2-6. - Bibliography.: 5 titles.

3. The company Mitsubishi Electric. Equipment catalog Zubadan «Heat pumps" air-to-air »» .www.arktika.ru / catalog / zubadan.pdf

4. A.K. Mikhailov, V.P. Voroshilov Compressor machines. Textbook for High Schools.

5. A new generation of heat pumps for heating and efficiency of their use in a market economy / / Proceedings of meetings of sub District Heating and District Heating NTS RAO "UES of Russia", Moscow, September 15, 2004

6. Ulrich Bierbaum (Germany). History of the compressors. www.pk-kompressor.ru/index/?firm=1&node_id=20

7. Cherkassky V. pumps, fans, compressors: A Textbook for heat and power specialties universities. - 2nd ed. Rev. and add. - Moscow: Energo Atomizdat, 1984. - 416.

Kuschev L.A. Dr. Professor of "Gas and Heat-generating installation"
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации