Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт
Представлены результаты работ по внедрению теплонасосной техники в системы энергоснабжения подземных сооружений. Проанализирована типичная схема теплонасосной установки, предназначенной для утилизации низкопотенциальной теплоты вентиляционных выбросов подземных сооружений. Наведено результати робіт...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61398 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт / Н.М. Фиалко, Л.Б. Зимин // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 2. — С. 111-119. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61398 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Фиалко, Н.М. Зимин, Л.Б. 2014-05-04T21:13:28Z 2014-05-04T21:13:28Z 2006 Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт / Н.М. Фиалко, Л.Б. Зимин // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 2. — С. 111-119. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61398 621.564 : 621.565.001.5 Представлены результаты работ по внедрению теплонасосной техники в системы энергоснабжения подземных сооружений. Проанализирована типичная схема теплонасосной установки, предназначенной для утилизации низкопотенциальной теплоты вентиляционных выбросов подземных сооружений. Наведено результати робіт щодо впровадження теплонасосної техніки у системи енергопостачання підземних споруд. Проаналізовано типову схему теплонасосної установки, призначеної для утилізації низькопотенційної теплоти вентиляційних викидів підземних споруд. The results of activities on an implantation of heat pump plants in power supply systems of underground structures are submitted. The typical circuit of heat pump installation intended for recycling of lawpotential heat of underground structures ventilating emissions is analysed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Энергосбережение Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт Evaluation of the efficiency of applying heat pumps in subways and coal mines Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт |
| spellingShingle |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт Фиалко, Н.М. Зимин, Л.Б. Энергосбережение |
| title_short |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт |
| title_full |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт |
| title_fullStr |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт |
| title_full_unstemmed |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт |
| title_sort |
оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт |
| author |
Фиалко, Н.М. Зимин, Л.Б. |
| author_facet |
Фиалко, Н.М. Зимин, Л.Б. |
| topic |
Энергосбережение |
| topic_facet |
Энергосбережение |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Evaluation of the efficiency of applying heat pumps in subways and coal mines |
| description |
Представлены результаты работ по внедрению теплонасосной техники в системы энергоснабжения подземных сооружений. Проанализирована типичная схема теплонасосной установки, предназначенной для утилизации низкопотенциальной теплоты вентиляционных выбросов подземных сооружений.
Наведено результати робіт щодо впровадження теплонасосної техніки у системи енергопостачання підземних споруд. Проаналізовано типову схему теплонасосної установки, призначеної для утилізації низькопотенційної теплоти вентиляційних викидів підземних споруд.
The results of activities on an implantation of heat pump plants in power supply systems of underground structures are submitted. The typical circuit of heat pump installation intended for recycling of lawpotential heat of underground structures ventilating emissions is analysed.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61398 |
| citation_txt |
Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метрополитенов и угольных шахт / Н.М. Фиалко, Л.Б. Зимин // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 2. — С. 111-119. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT fialkonm ocenkaéffektivnostiprimeneniâteplovyhnasosovvusloviâhmetropolitenoviugolʹnyhšaht AT ziminlb ocenkaéffektivnostiprimeneniâteplovyhnasosovvusloviâhmetropolitenoviugolʹnyhšaht AT fialkonm evaluationoftheefficiencyofapplyingheatpumpsinsubwaysandcoalmines AT ziminlb evaluationoftheefficiencyofapplyingheatpumpsinsubwaysandcoalmines |
| first_indexed |
2025-11-25T21:06:06Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:06:06Z |
| _version_ |
1850548673683914752 |
| fulltext |
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 111
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Наведено результати робіт щодо
впровадження теплонасосної техніки у
системи енергопостачання підземних
споруд. Проаналізовано типову схему
теплонасосної установки, призначеної
для утилізації низькопотенційної тепло�
ти вентиляційних викидів підземних спо�
руд. Визначено деякі зв’язки показників
ефективності установки з режимними
параметрами та розподілом втрат ек�
сергії у її елементах.
Представлены результаты работ по
внедрению теплонасосной техники в си�
стемы энергоснабжения подземных со�
оружений. Проанализирована типичная
схема теплонасосной установки, пред�
назначенной для утилизации низкопо�
тенциальной теплоты вентиляционных
выбросов подземных сооружений. Оп�
ределены некоторые связи показателей
эффективности установки с режимными
параметрами и распределением потерь
эксергии в ее элементах.
The results of activities on an implanta�
tion of heat pump plants in power supply
systems of underground structures are
submitted. The typical circuit of heat pump
installation intended for recycling of law�
potential heat of underground structures
ventilating emissions is analysed. Some
connections between of installation effi�
ciency and of regime parameters, and dis�
tribution of exergy losses in its elements
are determined.
УДК 621.564 : 621.565.001.5
ФИАЛКО Н.М., ЗИМИН Л.Б.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ
НАСОСОВ В УСЛОВИЯХ МЕТРОПОЛИТЕНОВ
И УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Е – эксергия;
с – теплоемкость;
ΔН – теплота фазового перехода;
l – удельная работа сжатия рабочего тела;
к – коэффициент адиабаты;
М – массовый расход;
N – мощность привода;
Q – плотность телового потока;
q – удельная холодопроизводительность;
R – газовая постоянная;
ΔS – возрастание энтропии в единицу времени;
s – удельная энтропия;
Т – абсолютная температура;
ε – холодильный коэффициент;
η – КПД;
μ – коэффициент преобразования (отопитель;
ный коэффициент);
П – эксергетическая потеря;
π – степень повышения давления;
τ – коэффициент работоспособности теплоты;
Ω – коэффициент эксергетических потерь;
ω – удельный коэффициент потерь;
А, В, b, т, п – постоянные величины.
ТН – тепловой насос;
ПО – подземные объекты;
РТ – регенеративный теплообменник;
Нижние индексы:
а – адиабатический;
д – действительный;
к – конденсации,
кр – критический;
в – нормальная точка кипения;
ос – окружающая среда;
е – эксергетический;
эм – электромеханический;
i – индикаторный;
L – жидкость;
р – при постоянном давлении;
sL – насыщенная жидкость;
pL – жидкость при постоянном давлении;
HL – состояние насыщенной жидкости при из;
менении энтальпии;
Т – температурный;
ν – к двухфазной области;
о – кипение низкотемпературного теплоноси;
теля;
х – рабочее тело;
Верхние индексы:
' , '' – вход, выход;_
– cреднее значение.
Общие положения
Сложившийся дефицит топлива и тепловой
энергии, высокие тарифы и теплопотери при
централизованном теплоснабжении в Украине
обусловливают тенденцию роста доли автоном;
ного энергоснабжения. Одним из наиболее пер;
спективных видов энергосберегающего и эколо;
гически чистого теплоснабжения является
применение тепловых насосов. Отопительный
коэффициент надежных и высокоэффективных
серийных зарубежных ТН в зависимости от тем;
пературного уровня источника низкопотенци;
альной теплоты достигает значений 3...6. Соот;
ветственно и затраты электроэнергии на привод
ТН ниже, чем затраты на централизованное теп;
лоснабжение. Современное теплонасосное обо;
рудование отличается экологической чистотой,
легкостью регулирования и способностью рабо;
тать в обратимых режимах.
Анализ эффективности теплонасосных систем
теплоснабжения свидетельствует, что при суще;
ствующих тарифах на природный газ и электро;
энергию, а также стоимости ТН, в современных
условиях Украины они могут быть эффективны;
ми только при круглогодичной работе. Экономи;
чески обоснованный минимум коэффициента
превращения ТН оценивается довольно высоким
значением – около 3,8. При меньших его значе;
ниях и отсутствии государственных субсидий ис;
пользование ТН в большинстве случаев оказыва;
ется экономически нецелесообразным. Гарантией
экономичного применения ТН можно полагать
их работу с коэффициентом превращения энер;
гии не меньшим 4.
Основным препятствием к применению в Ук;
раине серийных атмосферных ТН является несо;
ответствие климатических условий отопительно;
го периода расчетным параметрам (+5...+7 oС),
при которых в режиме нагрева достигается мак;
симальный КПД.
Наряду с этим, в зимнее время такие (и более
высокие) значения температуры низкопотенци;
ального источника энергии характерны для раз;
личных выбросов промышленных и гражданских
объектов. Однако, как правило, подобные вы;
бросы рассредоточены, удалены от потенциаль;
ных потребителей теплоты и характеризуются
высокой изменчивостью теплового потенциала и
нерегулярностью работы. В подавляющем боль;
шинстве случаев эти источники непригодны для
работы серийных атмосферных ТН.
Исключение в этом плане составляют венти;
ляционные выбросы подземных объектов и, в ча;
стности, метрополитенов и шахт, эксплуатация
которых требует постоянной работы вентиляци;
онных систем. Такие ПО вместе с их грунтовым
массивом весьма инерционны в тепловом отно;
шении и могут выполнять роль сезонных аккуму;
ляторов теплоты. В наиболее холодное время го;
да температура выбросов ПО не опускается ниже
(12...16) oС, что гарантирует высокие значения
отопительного коэффициента и конкурентно;
способность ТН. При этом зимой метрополите;
ны и шахты потребляют внешнюю тепловую
энергию для собственных нужд. Объемы внеш;
него теплоснабжения таких ПО могут быть суще;
ственно сокращены за счет утилизации теплоты
вентиляционных выбросов с помощью ТН.
Метрополитены
Тепловая мощность выброса одной вентиля;
ционной шахты, доступная для утилизации в ис;
парителях ТН, оценивается величиной
(220...380) кВт. Суммарный же пригодный к ис;
пользованию тепловой ресурс вентиляционных
выбросов Киевского метрополитена следует оце;
нить в (12...15) МВт.
В 2000 г. ИТТФ НАНУ с участием “Укрмет;
ротоннельпроекта” разработана и сооружена
на станции Киевского метрополитена “Майдан
Незалежності” опытная ТН–установка [1, 2],
использующая избыточное технологическое
тепловыделение оборудования машинного зала
эскалаторов для отопления комплекса служеб;
ных помещений. Опытная эксплуатация уста;
новки показала, что в условиях метрополите;
нов реальное значение коэффициента
превращения энергии серийных атмосферных
ТН в режиме воздушного отопления значи;
тельно превышает паспортное (3,1) и достигает
величины 4,9.
Основные технические и экономические ха;
рактеристики традиционной и теплонасосной
систем приведены в табл. 1 и 2.
112 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 113
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Та б л . 1 . Основные технические характеристики сопоставляемых вариантов
* – с учетом затрат электроэнергии в приводе дополнительного осевого вентилятора
Та б л . 2 . Основные экономические характеристики сопоставляемых вариантов
Оценка конкурентоспособности схем тепло;
насосного теплоснабжения метрополитенов по
сравнению с традиционными системами прове;
дена для вариантов сооружения новых объектов
и реконструкции существующих.
Результаты сопоставления технико;экономи;
ческих показателей свидетельствуют, что приме;
нение теплонасосной техники в метрополитенах
позволяет достичь существенной экономии [3]. В
пересчете приведенных затрат на 1 крупный ти;
пичный объект участка глубокого заложения го;
довая экономия эквивалентна $ 75000. Превыше;
ние капиталовложений, необходимое для
сооружения на подобном новом объекте тепло;
насосных систем вместо традиционных, окупает;
ся менее, чем за 2 месяца. При этом исключают;
ся затраты на подвод централизованного
теплоснабжения, которые на порядок выше упо;
мянутого превышения капитальных вложений.
Кроме того, применение реверсивных ТН в теп;
ловентиляционных системах метрополитена позво;
ляет совместить функции отдельных систем отоп;
ления, вентиляции и кондиционирования в одной
теплонасосной системе, способной на протяжении
теплого периода года охлаждать вентиляционный
воздух, что улучшает условия работы персонала и
общие технико;экономические показатели ТН.
На основании проведенных исследований нами
разработаны и внедрены в практику проектирова;
ния “Рекомендации по применению теплонасос;
ного энергоснабжения в проектах новых станций
перспективных участков метрополитена (на сис;
темах местной вентиляции)”, с использованием
которых в 2005 г. сооружена и вводится в действие
теплонасосная система на станции “Сырец”.
Угольные шахты
Себестоимость угля, добываемого в Украине,
как известно, очень высока. В ее структуре замет;
ную часть составляют расходы на работу шахт;
ных систем вентиляции и кондиционирования. В
основном это прямые энергозатраты на зимний
подогрев воздуха, подаваемого в шахту, а также
на работу систем кондиционирования. При этом
возможности повышения эффективности систем
подогрева и охлаждения шахтного воздуха тради;
ционными методами исчерпаны.
Несмотря на значительное количество избы;
точной по отношению к окружающей среде теп;
ловой энергии, содержащейся в исходящем из
шахт вентиляционном потоке, прямая ее утили;
зация путем организации теплообмена с потоком
воздуха, подаваемого в шахту, ранее вполне обос;
нованно считалась нерациональной из;за низко;
го температурного уровня потока. В связи с по;
вышением стоимости энергоресурсов нами
рассмотрены техническая возможность и эконо;
мическая эффективность утилизации низкопо;
тенциальной сбросной теплоты исходящих вен;
тиляционных потоков шахт с помощью ТН.
Предложена соответствующая система [4], пред;
полагающая почти круглогодичное снижение
энергозатрат на искусственную тепловую обра;
ботку воздуха, подаваемого в шахту (как на подо;
грев зимой, так и на кондиционирование летом).
Для получения с помощью таких систем 100 %
тепловой энергии, необходимой для искусствен;
ной обработки воздуха, в приводе компрессора
ТН придется затратить электроэнергии не более
чем 20…22 % зимой и 30…35 % летом. Благодаря
более высокому, чем у атмосферного воздуха, теп;
ловому потенциалу используемого источника –
исходящего вентиляционного воздуха шахт,
энергетическая эффективность применения се;
рийных ТН в рассматриваемых условиях заметно
превышает их паспортные характеристики. По;
этому даже при наличии на шахтах котельных,
работающих на собственном твердом топливе,
применение ТН–систем может обусловить до;
стижение не только энергосберегающего, но и
экономического эффекта.
В целом среднюю величину капитальных затрат
на устройство на шахтах Донбасса подобных ТН–си;
стем можно оценить суммой 2,5…3,0 млн. грн. С уче;
том возрастающей роли энергетической состав;
ляющей в годовых эксплуатационных затратах,
продолжительность срока окупаемости в зависи;
мости от соотношения тарифов на тепловую и
электрическую энергию можно оценить величи;
ной 7…9 лет. Помимо значительного энергосбе;
регающего и природоохранного эффектов, воз;
никающих сразу после введения системы в
эксплуатацию, по истечении этого срока система
начнет приносить годовую экономию порядка
350 тыс. грн.
114 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 115
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Идентификация рабочих параметров
тепловых насосов
Для обоснования эффективности применения
парокомпрессионных ТН в составе теплоэнерге;
тических систем ПО необходимы методы иден;
тификации и оптимизации параметров работы
ТН во взаимосвязи со специфическими условия;
ми эксплуатации.
В этой связи значительный интерес представля;
ют результаты работ [5;9], посвященных определе;
нию эксергоэкономической эффективности и оп;
тимизации ТН;систем, а также разработке методов
диагностики ТН путем структурного и параметри;
ческого анализа их функционирования. С исполь;
зованием этих и других результатов нами предпри;
нята попытка количественной оценки связей
тепловых параметров работы ТН с экономической
эффективностью и рациональностью применения
ТН в системах жизнеобеспечения ПО [10].
На основе энтропийного метода оценена эффек;
тивность современного типичного ТН с односту;
пенчатым поршневым компрессором, предназна;
ченного для обогрева воздухоподающего шахтного
ствола или для горячего водоснабжения надшахт;
ного комплекса и использующего низкопотенци;
альную теплоту исходящего из ПО вентиляционно;
го воздуха, в стационарном режиме работы.
На рис. 1 показана принципиальная схема (а)
и цикл (б) установки.
Последовательность характерных процессов в
установке (см. рис. 1, б): необратимое адиабати;
ческое сжатие рабочего тела в компрессоре
(процесс “1;2”); необратимый отвод теплоты от
перегретого пара в конденсаторе (“2;3”); нео;
братимый отвод теплоты конденсации рабочего
тела (“3;4”); изобарное охлаждение в переохлади;
теле (процесс “4;5”) и в регенеративном теплооб;
меннике (процесс “5;6”); – дросселирование
(процесс “6;7”); – испарение (процесс “7;8”); –
смешение теплоносителей (точка 11).
Отопительный коэффициент и ряд других па;
раметров ТН, работающего по подобной схеме на
хладоне R12 в трех заданных режимах, в свое вре;
мя на основании экспериментальных данных
был подробно оценен в работе [11]. Рассмотрен;
ные в работе [11] температурные режимы кон;
денсатора и испарителя близки к таковым при
возможном использовании ТН для утилизации
низкопотенциальной теплоты вентиляционных
выбросов ПО, в связи с чем данные этой работы
представляют значительный интерес.
Вычисленные в [11] по данным эксперимента
значения отопительного коэффициента μД, соот;
ветствующие трем режимам, составляли 4,04,
4,92 и 6,25.
Если основные энергетические показатели
рассматриваемого ТН представить в виде [12]:
, (1)
1
1
n
e i
i −
η = − Ω∑
Рис. 1. Принципиальная схема (а) и цикл (б) в Т – S � диаграмме теплового насоса:
Км – компрессор, К – конденсатор, ПО – переохладитель, РВ – регулирующий вентиль,
И – испаритель, БА – бак–аккумулятор, РТ – регенеративный теплообменник.
, (2)
, (3)
то для вычисления энергетических показателей
установки в целом зависимости (1) – (3) понадо;
бится выразить через температуры основных то;
чек цикла и интегральные характеристики уста;
новки.
При определении коэффициентов эксергети;
ческих потерь в элементах данной схемы (рис. 1,
а), использованы следующие общепринятые до;
пущения: электромеханические потери приняты
постоянными и не зависящими от термодинами;
ческих параметров; потери за счет теплообмена
через поверхность элементов с окружающей сре;
дой, а также гидравлические потери и потери,
обусловленные наличием примесей в рабочем те;
ле, пренебрежимо малы; интегральная характе;
ристика компрессора практически не зависит от
перегрева рабочего тела на всасывающей линии.
Внутренние потери цикла
Для определения эксергетической потери от
необратимого сжатия рабочего тела в компрессо;
ре можно использовать эмпирическую интег;
ральную характеристику компрессора – индика;
торный КПД (ηi). При этом изменение энтропии
в компрессоре можно вычислить по соотноше;
нию [12]
Δs1;2 = Mx (s2 – s1) = Mxla (1 – ηi) / T(2 – 2a).
Тогда , .
Для оценки величины ηi используем рекомен;
дации справочника [13], содержащего соотноше;
ния, связывающие между собой основные пока;
затели работы компрессора:
ln (T(2 – 2a) / Т1) ≅ ln (T2a / Т1) ≅ ln π(kT –1) / kT ,
ηi = η0 exp (mπ – nπ2), π = exp[B(1/T0 – 1/Тк)],
(для R12 η0 = 0,75; m = 4,52·10–2; n = 4,42·10–3).
Потери эксергии в дроссельном вентиле (про;
цесс “6 – 7”) можно определить по известному
уравнению [12]
с учетом того, что
q0 = ΔНν0 – сHL (T6 – T0), Δs6;7 = s7 – (s4 – s4;6 ),
Δs4;6 = cpL ln (Tк / Тв).
Окончательно для эксергетических потерь в
дроссельном вентиле
. Здесь
.
Потери в теплообменных аппаратах
Для произвольного теплообменника измене;
ние энтропии, обусловленное необратимостью
процессов теплообмена, можно представить в
виде [12]
.
Если величину ΔS, определенную по этому вы;
ражению, подставить в (2), коэффициенты эк;
сергетических потерь для всех теплообменников
схемы можно представить в следующем виде:
Конденсатор:
а) необратимость, связанная с отводом теплоты
перегрева паров рабочего тела (процесс “2 – 3”)
,
;
б) необратимость в процессе отвода теплоты
конденсации рабочего тела (процесс “3 – 4”)
, .
Испаритель (процесс “7 – 8”)
к
3 4
0 11 12
1 1ос v
к
Т Н
q Т Т
−
−
⎛ ⎞Δω = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
3 4 3 4
0
1
Д
Д
− −
ε
Ω = ω
+ ε τ
( )2
2 3
0 11 12 2 3
1 1p к осc Т Т Т
q Т Т
−
− −
− ⎛ ⎞
ω = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
2 3 2 3
0
1
Д
Д
− −
ε
Ω = ω
+ ε τ
" '
1 1
/
n m
i i i i ос ос
i i
S М s М s Q Т
= =
Δ = − +∑ ∑
( ) ( )0
6 7 0
0 0
ln
вос к
pL sL к
в
Т ТТ Т
с с bR Т Т
q Т Т
−
⎡ ⎤−
ω = + − −⎢ ⎥
⎣ ⎦
6 7 6 7
0
1
Д
Д
− −
ε
Ω = ω
− ε τ
6 7 6 7 6 7
0
Д Д
х ос ос
N
П М Т s Т s
q
− − −
ε
= Δ = Δ
( )1 2
2 2
1ос
i эм
а
Т
Т
−
−
ω = − η η1,2
1,2
0
1 Д
ω
Ω =
+ ε τ
( )0
1 0
1е эм
Д Д эм
е
η − η τ
μ = ε + η =
τ + η τ
( )'
0
1
i ос i
i
Д Д
П Т S
Е N
ΔΩ = =
+ ε τ
116 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
; .
Регенеративный теплообменник (процесс “5 – 6”)
,
.
Переохладитель (процесс “4 – 5”)
,
.
Процесс смешения теплоносителей (точка 11)
,
,
где γ = (Т11 – Т10) / (Т12 – Т11).
И, наконец, электромеханические потери
Ωэм = 1 – ηэм .
С помощью вышеприведенных выражений на
основании измеряемых параметров процессов и
при наличии сведений о значениях действитель;
ного холодильного коэффициента εД или отопи;
тельного коэффициента μД (которые в большин;
стве случаев также являются искомыми) можно
было бы определить коэффициенты эксергетиче;
ских потерь Ωi для всех элементов установки.
С целью преодоления этой неопределенности
можно воспользоваться следующим приемом.
На основании уравнения (3) аналогично [12]
можно записать
.
Далее, в результате подстановки вышеприве;
денных выражений для коэффициентов эксерге;
тических потерь во всех элементах установки в
уравнение (1), можно получить зависимость для
эксергетического КПД ТН, в которой величина
ηе зависит только от измеряемых параметров
.
Таким образом, с помощью вышеприведенных
выражений имеется возможность последователь;
но осуществить следующие операции:
1. определить значения удельных коэффи;
циентов эксергетических потерь (ωi...i + 1) для всех
элементов схемы рассматриваемого ТН;
2. определить эксергетический КПД уста;
новки ηе по выражению (4);
3. определить значение действительного
отопительного коэффициента μД (или холодиль;
ного коэффициента εД ) по формуле (3);
4. определить коэффициенты эксергетичес;
ких потерь Ωi для всех элементов установки.
В такой последовательности выполнены расче;
ты для упомянутых трех режимов работы рассма;
триваемого ТН. Полученные в результате расчета
значения отопительного коэффициента μД (3,82,
4,70 и 5,55) сопоставлены с приведенными выше
экспериментальными значениями [11], соответ;
ствующими трем указанным режимам (4,04, 4,92
и 6,25). Различия не превышают 12 %.
Существенный интерес представляют также
данные, касающиеся изменения значений инди;
каторного и эксергетического КПД установки в
зависимости от используемых режимов работы.
Соотношение между безвозвратно теряемой и
полезно используемой эксергией (на примере ре;
жима № 2) наглядно иллюстрируется диаграм;
мой, приведенной на рис. 2.
Результаты расчетов относительно связи ре;
жимных параметров ТН с распределением по;
терь эксергии между элементами установки ил;
люстрируются также диаграммой, приведенной
на рис. 3. Из рис. 3, в частности, следует, что ве;
личины Ω в теплообменниках и при дросселиро;
вании близки между собой; что снижение темпе;
ратуры перед дроссельным вентилем приводит к
уменьшению потерь в регенераторе, но при этом
потери в переохладителе и испарителе растут; что
( )
( )
7
1 0 1 1 2 1 ... 1 11
2
7
1 0 0 1 2 ... 1 11
2
1
1
эм эм эм i i
i
е
эм i i
i
− +
=
− +
=
⎛ ⎞η τ − η τ − τ ω + η τ ω + ω⎜ ⎟
⎝ ⎠η =
τ − η τ + τ ω + ω + ω
∑
∑
( )
1
0 1 0
1 1
Д е эм
Д эм
ε η − η τ
=
+ ε τ τ − η τ
( )
( )
1
к 2 3 11
11
0 12 10 10 12
ln
v р ос
Н с Т Т Т Т
q Т Т Т Т
γ+
γ
Δ + −
ω =
−
11 11
0
1
Д
Д
ε
Ω = ω
+ ε τ
( )5
4 5
0 9 10 4 5
1 1pL к осc Т Т Т
q Т Т
−
− −
− ⎛ ⎞
ω = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
4 5 4 5
0
1
Д
Д
− −
ε
Ω = ω
+ ε τ
( )5 6
5 6
0 8 1 5 6
1 1pL осc Т Т Т
q Т Т
−
− −
− ⎛ ⎞
ω = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
5 6 5 6
0
1
Д
Д
− −
ε
Ω = ω
+ ε τ
7 8
0 13 14
1 1
осТ
Т Т
−
−
⎛ ⎞
ω = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
7 8 7 8
0
1
Д
Д
− −
ε
Ω = ω
+ ε τ
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 117
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
(4)
118 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
потери как в одноступенчатом компрессоре, так
и при смешении потоков теплоносителя с раз;
личной температурой при использовании данной
схемы непозволительно велики и существенно
ухудшают технико;экономические характерис;
тики установки.
Анализ данных работ [11, 12] и результатов вы;
полненных расчетов, а также их представления на
рис. 2 и 3 позволяют сделать ряд выводов приме;
нительно к рассмотренным режимам работы ТН.
Выводы
1. Вышеприведенный полуэмпирический ме;
тод количественной оценки показателей эффек;
тивности ТН, а также связей между эксергетиче;
ским КПД установки, коэффициентом
преобразования и удельными коэффициентами
эксергетических потерь в ее элементах можно
считать приемлемым для использования при со;
поставлении вариантов технических решений
систем тепло; и холодоснабжения ПО.
2. Использование источников низкопотенци;
альной теплоты с температурным уровнем, близ;
ким к таковому у потоков вентиляционного возду;
ха, исходящего из ПО, позволяет существенно
повысить коэффициент превращения энергии в
ТН, что при технико;экономическом сопоставле;
нии может оказаться решающим аргументом в
пользу выбора варианта с теплонасосной системой.
3. Даже при достижении высоких значений
отопительного коэффициента (μД ≈ 6) и индика;
торного КПД (ηi = 0,82) эксергетический КПД
парокомрессионного ТН с одноступенчатым
компрессором не превышает 43 %, что свиде;
тельствует о необходимости дальнейшего совер;
шенствования как самой теплонасосной техни;
ки, так и применяемых схем ее использования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фиалко Н.М., Дубовской С.В., Зимин Л.Б.
Принципы разработки теплонасосных систем
для перспективных объектов метрополитенов //
Тр. Межд. Конф. “Региональные проблемы энер;
госбережения в децентрализованной теплоэнер;
гетике” Киев, октябрь 2000 г. – С. 19–23.
2. Зимин Л.Б. Опытная установка для утили;
зации низкопотенциальной теплоты вентиляци;
онных выбросов метрополитенов // Пром. теп;
лотехника, 2001, № 1–2. – С. 92–95.
3. Зимин Л.Б., Фиалко Н.М. Сопоставление
показателей традиционных и теплонасосных си;
стем теплоснабжения метрополитенов // Пром.
теплотехника, 2003, № 4. – С. 68–72.
4. Зимин Л.Б. Теплонасосная утилизация
энергии исходящих вентиляционных потоков
угольных шахт // Пром. теплотехника, 2004,
№ 3. – С. 69–75.
Рис. 2. Соотношение между полезно используемой
и теряемой эксергией (режим № 2).
Обозначения пунктов схемы соответствуют рис. 1.
Рис. 3. Распределение потерь эксергии между
элементами установки в рассмотренных
режимах.
5. Долинский А.А., Драганов Б.Х., Дубровин В.А.
Оптимизация технических систем методами эк;
сергоэкономики // Пром. теплотехника. – 2003,
Т. 25, № 5. – С. 57–60.
6. Драганов Б.Х., Мищенко А.В. Эксергоэконо;
мический метод оптимизации энергетических си;
стем // Електрифікація та автоматизація сільсько;
го господарства. – № 1, 2002. – С. 98–101.
7. Косой Б. В., Ломовцев П. Б. Представление
знаний об энергетических установках в эксперт;
ных системах // Холодильная техника и техноло;
гия, № 63, 1999. – Одесса, ОГАХ. – С. 77–80.
8. Massimo Dentice d’Assadia, Fillipро de Rossi.
Thermoeconomic optimization of a refrigeration
plant. – Int J. Refrig. – 1998, vol. 21, № 1, pp. 42–54.
9. Ломовцев П. Б., Иванников Е.В., Новиков В.М.
Системная диагностика аммиачной холодильной
установки // Холодильная техника и технология,
2002, № 3 (77). – С. 16–19.
10. Голубинский П.К., Зимин Л.Б., Иваненко Г.В.,
Фиалко Н.М. Об эффективности применения
термотрансформаторов в тепловентиляционных
системах подземных сооружений. // Экотехно;
логии и ресурсосбережение, 2005, № 6. – С.
74–78.
11. Holland F.A; Watson F.A. Heat pumps. Pt IV.
Derived thermodynamic design data for heat pump
systems operating an R12 // Indian chem. Eng. 1979.
V. 21. № 4, P. 3–15.
12. Проценко В. П., Сафонов В. К. Эксергети;
ческий КПД теплонасосных установок // Изв.
АН СССР, сер. Энергетика и транспорт. – № 1,
1989. – С. 123–130.
13. Холодильные машины: Справочник / Под
ред. Быкова А. В. – М.: Легкая и пищевая промы;
шленность, 1982. – 223 с.
Получено 16.03.2006 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 2 119
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Викладено питання впровадження
енергозберігаючої технології використан�
ня низькопотенційного тепла Чорного мо�
ря з допомогою теплових насосів для
опалення пансіонату "Дружба" в м. Ялті.
Изложены вопросы внедрения энер�
госберегающей технологии использова�
ния низкопотенциальной теплоты Черно�
го моря в тепловых насосах для
отопления пансионата "Дружба" в г. Ялте.
We describe some problems of the
introduction of energy saving technology of
using the low�potential heat of the Black
Sea in heat pumps for heating the hotel
"Druzhba" in Yalta.
УДК 662. 925
КУРДЮМОВА К.А.1, КУРАТЕНКО А.П.2
1Ялтинский учебно#методический центр экологии
2Ялтинский пансионат “Дружба”
ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ
ЧЕРНОГО МОРЯ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ПАНСИОНАТА
“ДРУЖБА” В Г. ЯЛТЕ
ГВС – горячее водоснабжение;
ТНС – теплонасосная станция;
ТНУ – теплонасосная установка;
НФС – насосно;фильтровальная станция.
В условиях высоких цен на энергоносители,
является актуальным для различных систем теп;
лоснабжения внедрение энергосберегающих тех;
нологий с использованием тепловых насосов,
которые могут преобразовывать низкопотенци;
альную теплоту окружающей среды и передавать
|