Сбережение не возобновляемого органического
топлива это жизненно важная проблема, решаемая мировым сообществом.
Реализуется множество программ, направленных на повышение экономичности
выработки и потребления энергии традиционными способами.
Наряду с этим все большее распространение получают технологии нетрадиционной
энергетики, использующие энергию солнца, ветра, биомассы и других
источников возобновляемой энергии.
В этом ряду особое место занимают теплонасосные технологии, преобразующие
для теплоснабжения низкопотенциальное тепло водоемов, рек, грунтовых
вод, грунта, геотермальных вод, канализационных стоков, тепловых выбросов
тепловых и атомных электростанций.
Тепловые насосы уже получили широкое распространение и вносят наибольший
вклад в замещение органического топлива.
По оценкам мирового энергетического комитета (МЭК) к 2020 году 75%
теплоснабжения (коммунального и производственного) в различных странах
будет осуществляться с помощью тепловых насосов.
Однако столь широкое производственное распространение теплонасосных
технологий сдерживается двумя факторами, связанными с свойствами рабочих
веществ, применяемых в традиционных тепловых насосах:
-экологическая не безопасность фреонов (хладонов); их эмиссия в атмосферу
приводящее к глобальному потеплению;
-дороговизне фреонов, являющихся продуктом химического синтеза;
-невозможность с применением этих веществ создания тепловых насосов
большой мощности.
Предложенные нами тепловые насосы нового поколения, работающие на
диоксиде углерода (R744), решают эту проблему.
Уникальные термодинамические и теплофизические свойства R744 позволяют
создавать тепловые насосы мощностью 50 МВт и более, энергетическая
эффективность которых на 20…30% выше, а металломкость на 30…40% ниже,
чем у традиционных тепловых насосов.
Диоксид углерода является природным экологически безопасным рабочим
веществом. Он не горюч, не токсичен, не разрушает озоновый слой, имеет
самый низкий потенциал глобального потепления. Кроме того, он доступен
в любых количествах и дешев.
Предлагаемые проекты разработанных тепловых насосов:
ТНУ-10
КВТ
Тепловой
насос для теплоснабжения индивидуального дома.
Значительное место в области применения теплонасосной техники принадлежит
небольшим тепловым насосам (ТН) для теплоснабжения и горячего водоснабжения
индивидуальных домов теплопроизводительностью около 10 кВт.
Источниками низкопотенциальной теплоты являются грунт (5....15°С)
и грунтовые воды (8...15°С).
Температура нагреваемой в ТН воды для горячего водоснабжения не менее
60°С.
Если вода используется только на отопление, температура может быть
ниже. Если требуется нагрев воды 55°С и ниже, то в качестве рабочего
вещества можно использовать фреон R22.
Конструкция и особенность эксплуатации:
Необходимо наличие низкопотенциального источника тепла.
Объем обогреваемого помещения: 400 м3 - 450 м3
| Температура
кипения, t, °С |
2,91 |
| Температурь
конденсации, tk, °С |
54,55 |
| Температура
теплоносителя на входе в испаритель,ts1, °С |
8,2 |
| Температура
теплоносителя на выходе из конденсатора, tw2 , °C |
60,1 |
| Разность
температур теплоносителя в конденсаторе, tw ,°С |
11,97 |
| Расход
теплоносителя в конденсаторе, Gk, кг/с |
0,263 |
| Мощность,
потребляемая компрессором, Nэ, Вт |
2360 |
| Теплопроизводительность,
Qk, Вт |
до
13000 |
| Расход
хладагента, G , кг/с |
0,063 |
| Коэффициент
преобразования, µ |
3,3-6 |
| Гарантированный
срок работы, до кап. ремонта, лет |
15 |
| Стоимость
установки за один тепловой КВт, $ ( при производстве от 10 аппаратов
и более) |
200 |
Тепловой насос ТНСО2-20 тепловой мощностью 20 кВт
ТНСО2-20 предназначен для отопления и горячего водоснабжения жилого
дома площадью до 350 квадратных метров.
Тепловой насос работает на экологически
безопасном дешевом природном рабочем веществе - диоксиде углерода
(СО2, R744)
ТНСО2-20 обеспечивает отопление
дома на двух температурных уровнях:
- Высокотемпературном (традиционное отопление), температура сетевой
воды до 85°С;
- Низкоптемпературном (напольное отопление), температура сетевой воды
45°С;
В качестве источника низкопотенциального тепла (ИНТ) используется
грунтовая вода с температурой 8°С.
Выработка тепла на двух температурных уровнях обеспечивает высокий
коэффициент преобразования теплового насоса при высоких температурах
сетевой воды (85°С), воды ГВС (60°С) и теплоснабжение без использования
дополнительных генераторов тепла.
Уникальные термодинамические
и теплофизические свойства R744 позволяют создавать тепловые насосы
с более высокими техникоэкономическими показателями, чем у тепловых
насосов, работающих на хладонах.
Схемы и технические решения
создаваемых тепловых насосов на R744 запатентованы; Патент РФ № 2209381
с приоритетом от 29.05.2002 г.
В тепловом насосе осуществляется
газожидкостный термодинамический цикл с процессом охлаждения газообразного
R744 в надкритической области.
Значительное изменение температуры газообразного R744 позволяет нагревать
теплоноситель на большую разность температур с минимальными потерями
энергии.
Теплонасосная установка на базе ТНСО2-20
|
Теплотехнические параметры ТНСО2-20:
|
|
|
- Общая тепловая мощность, кВт
|
20
|
|
Сетевая вода высокотемпературного контура:
|
|
|
- Расход, кг/с
|
0,051
|
|
-Температура прямого потока, °С
|
85
|
|
-Температура обратного потока, °С
|
45
|
|
Сетевая вода низкотемпературного контура:
|
|
|
-Расход, кг/с
|
0,154
|
|
-Температура прямого потока, °С
|
45
|
|
-Температура обратного потока, °С
|
30
|
|
Вода ГВС:
|
|
|
-Расход, кг/с
|
0,015
|
|
-Температура на входе, °С
|
10
|
|
-Температура на выходе, °С
|
60
|
|
Вода ИНТ:
|
|
|
-Расход, кг/с
|
0,912
|
|
-Температура на входе, °С
|
8
|
|
-Температура на выходе, °С
|
4
|
|
-Потребляемая компрессором электрическая мощность, кВт
|
5,9
|
|
-Коэффициент преобразования теплового насоса, 
|
3,39
|
Фото
теплового насоса, работающего на Малоярославецком водоканале.
(Тепловая мощность 150 КВт).
Тепловой насос на диоксиде углерода единичной мощностью
23МВт (ТНСО2-23000)
Компоновка ТНСО2-23000
(1-турбокомпрессор, 2-водонагреватель, 3-регулирующий клапан, 4-отделитель
жидкости, 5-насос для циркуляции СО2, 6-водоохладитель)
Трубопроводы:
оранжевые– высокого давления (9,0…13,0МПа)
зеленые–низкого давления (4,0…6,0МПа)
Стрелки:
красные - нагреваемая сетевая вода (5....90 °C)
синие–источник бросовойтеплоты(15....40 °C)
В рамках ФЦНТП 2002-2006 (Роснаука)
НПФ ЭКИП, МГУИЭ, МЭИ и другие соисполнители, разработали конструкторскую
документацию на базовый опытно-промышленный образец ТНСО2 мощностью
до 23 МВт (ТНСО2-23000), предназначенный для нагрева сетевой воды
при утилизации бросовой теплоты объектов промышленной энергетики:
- Тепловая мощность, кВт 23000
- Входная температура сетевой воды, °С 15
- Выходная температура сетевой воды, °С 80
- Входная температура ИНТ, °С 28
- Выходная температура ИНТ, °С 20
- Коэффициент преобразования, не менее 5,0
ТНСО2-23000 спроектирован в блочном
исполнении. В состав теплонасосной установки может быть включено необходимое
количество ТНСО2-23000 для достижения требуемой теплопроизводительности
и обеспечения резерва.
ТНСО2-23000 состоит из следующих
основных элементов:
- турбокомпрессорный агрегат с электроприводом (Поставщик - ОАО "Казанькомпрессормаш",
г. Казань);
- комплект основных аппаратов (Поставщик - ОАО "Машиностроительный
завод "ЗиО-Подольск", г. Подольск);
- блок технологических насосов на диоксиде углерода (Поставщик - ООО
"Научно-производственная фирма "КОНТЕХ-КРИО", г. Москва);
- система автоматизации и управления (Поставщик - ООО "ИНТАС-Компани",
г. Уфа).
Использование ТНСО2 большой тепловой мощности в составе промышленных
энергетических объектов обсуждено и одобрено на заседаниях следующих
Научно-технических советов:
- НТС РАО ЕЭС (2002)
- НТС РАО ЕЭС (2004)
- НТС ВНИИАЭС (2008)
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА
(R744)
В мире уделяется пристальное внимание применению диоксида
углерода (СО2, R744) в качестве рабочего вещества холодильных машин
(ХМ) и тепловых насосов (ТН).
R744 не горюч, не ядовит, не разрушает озоновый слой, имеет самый
низкий среди применяемых рабочих веществ потенциал глобального потепления
(табл. 1). Кроме того, он доступен в любых количествах и дешев.
ТНСО2-20 в производственно-испытательном комплексе
ОАО «НПО Гелиймаш»
Тепловые насосы на диоксиде углерода (ТНСО2)
- машины нового поколения. Процессы этих машин и, в особенности, процессы
теплоотдачи при кипении жидкого R744 и охлаждения газообразного R744
в околокритической области в период выполнения работ были недостаточно
изучены. В 2002–2006 гг. выполнен комплекс научно-исследовательских,
опытно-конструкторских и проектных работ в области ТНСО2 в рамках
Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки
по приоритетным направлениям науки и техники на 2002–2006 гг.» (Роснаука):
- определены условия эффективного применения ТНСО2;
- проведено расчетно-теоретическое исследование термодинамических
циклов ТНСО2, разработаны математические
модели и компьютерные программы для расчета, анализа и оптимизации
состава схем, параметров и циклов;
- на кафедре «Холодильная и криогенная техника» МГУИЭ создан теплотехнический
стенд для экспериментального
исследования процессов ТНСО2;
- проведено расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование
процессов теплообмена в газоохладителях
(ГО), испарителях (И), регенеративных теплообменниках (РТ), разработаны
математические модели и компьютерные программы для расчета и численного
исследования характеристик этих аппаратов;
- выбраны конструктивные решения и определены оптимальные рабочие
параметры базового оборудования
ТНСО2: компрессоры, детандеры, ГО, И, РТ;
- в ОАО «НПО Гелиймаш» построен и испытан на специально созданном
стенде пилотный образец ТНСО2 с тепловой
мощностью 20 кВт;
- все основные технические решения защищены патентом (№ 2209381 от
20 мая 2002 г.).
В настоящее время разрабатываются опытный образец ТНСО2 для работы
в составе ТЭЦ МЭИ; конструкторская документация на ТНСО2 тепловой
мощностью около 20 МВт: компрессорный агрегат (ЗАО «НИИТурбокомпрессор
им. В.Б. Шнеппа») и аппаратный агрегат (ОАО «Машиностроительный завод
«ЗИО–Подольск»»); готовится проектная документация на теплонасосную
установку общей тепловой мощностью до 35 МВт для объекта первой привязки.
Теплотехнический стенд
В результате проведенного расчетно-теоретического анализа выбраны
надежные зависимости, учитывающие особенности свойств диоксида углерода
в околокритической области для процесса охлаждения газообразного R744,
а также для процесса кипения и испарения R744, которые были положены
в основу математических моделей.
Для реализации данных моделей с помощью современных вычислительных
средств были разработаны алгоритмы проектного и поверочного расчета
и созданы компьютерные программы в среде MathCAD. Разработанные компьютерные
программы позволили рассчитать ожидаемые параметры основных элементов
ТНСО2 и теплового насоса в целом, которые были использованы при создании
теплотехнического стенда и разработке программ и методик проведения
исследований.
На созданном теплотехническом стенде был выполнен полный комплекс
исследований процессов ТНСО2. Его принципиальная схема соответствует
реальной схеме ТНСО2, а тепловая мощность составляет 2–6 кВт в зависимости
от режима работы. Использование для компремирования рабочего вещества
(R744) мембранного компрессора 1,6МК8/200, позволяет проводить исследование
процессов ТНСО2 без учета влияния масла в потоке рабочего вещества.
При проведении экспериментального исследования теплообменных поверхностей
применялась соосная конструкция («труба в трубе»), в которой осуществлялся
противоточный теплообмен между теплоносителем (вода) и диоксидом углерода.
В результате проведенного физического эксперимента были получены экспериментальные
данные, которые позволили отладить компьютерные программы,в частности,
внести необходимые коррективы в расчет коэффициента теплоотдачи со
стороны рабочего вещества.
Поскольку в конструкциях основных теплообменных аппаратов ТНСО2 (ГО
и И) как малой, так и большой тепловой мощности, R744 всегда течет
в трубах — это позволило при разработке компьютерных программ расчета
реальных аппаратов ТНСО2 воспользоваться базовой программой, разработанной
для экспериментальных аппаратов соосной конструкции.
В результате проведенных работ был создан надежный инструмент для
проведения численного исследования по поиску оптимальных параметров
газоохладителей, испарителей и регенеративных теплообменных аппаратов
ТНСО2.
Созданный вычислительный комплекс использовался при проектировании
высокоэффективных теплообменных аппаратов реальных ТНСО2 с учетом
разработанных методик нахождения оптимальных параметров теплопередающей
поверхности аппаратов и аппаратов в целом (теплогидравлическая и технико-экономическая
оптимизация).
Пилотный образец ТНСО2-20
С опорой на результаты выполненных работ, а также с целью проверки
основных технических решений и конструкций элементов был разработан
первый в нашей стране ТНСО2-20 с тепловой мощностью до 20 кВт. Этот
пилотный образец теплового насоса изготовлен и испытан на производственной
базе ОАО «НПО Гелиймаш» (рис. 1).
ТНСО2-20, спроектированный применительно
к условиям отопления и горячего водоснабжения (ГВС) жилого дома площадью
до 300 м2, был отмечен на Всероссийском конкурсе «На лучшую научно-техническую
разработку в области развития перспективных технологий для реального
сектора экономики» в рамках выставки «Перспективные технологии XXI
века».
Работы по реальному внедрению ТНСО2
Для перехода от масштаба малых ТНСО2
к масштабу крупных ТНСО2 создается опытный образец ТНСО2-8 для работы
в составе ТЭЦ МЭИ.
Схема включения опытного образца теплового насоса в оборотную систему
охлаждения технической воды ТЭЦ МЭИ полностью соответствует реальным
условиям работы теплового насоса в составе ТЭЦ. В этом случае испытания
опытного образца теплового насоса позволят определить его реальные
характеристики и получить первичный опыт его эксплуатации в реальных
условиях.
Благодаря реализуемому газожидкостному термодинамическому циклу на
диоксиде углерода тепловой насос ТНСО2 потребляет в 1,8 раза меньше
первичной энергии (органического топлива), чем при прямом сжигании
топлива. В составе ТЭЦ тепловой насос может нагревать воду для подпитки
системы теплофикации, саму теплофикационную воду, воду горячего водоснабжения.
Анализ существующей потребности в тепловых насосах большой мощности
показал, что первоочередная задача — создание теплового насоса с тепловой
мощностью около 23 МВт. Такая тепловая мощность (на уровне 20 МВт)
также в большей степени отвечает возможности существующей машиностроительной
базы по освоению производства нового оборудования ТН на R744.
В настоящее время разработана конструкторская документация на тепловой
насос мощностью до 23 МВт (ТНСО2-23000). Основными элементами разработанного
ТНСО2-23000 являются: турбокомпрессорный агрегат;
(рис. 3) аппаратный агрегат (рис. 2, 4, 5, 6); система автоматизации
и управления; вспомогательное оборудование;
арматура; трубопроводы.
На современном этапе выполнения работ разрабатывается проектная документация
на технологическую часть проекта теплонасосной установки мощностью
до 35 МВт, состоящую из двух ТНСО2-23000 и предназначенную для теплоснабжения
промышленных объектов и жилищного комплекса. Проектируемая установка
использует в качестве источника низкопотенциального тепла (ИНТ) тепловую
энергию промышленных выбросов.
В проекте также решаются задачи по замещению природного топлива, сжигаемого
в целях теплоснабжения, и сокращению выбросов двуокиси углерода, в
соответствии с требованиями Киотского протокола.
В процессе работ, проводившихся в рамках Федеральной целевой научно-технической
программы в 2002– 2006 гг., создана экспериментальная база для исследований
в области низкотемпературной энергетики, одготовлены кадры и накоплен
значительный научно-технический потенциал. Это создает возможность
для дальнейшего развития работ в области низкотемпера-турной энергетики,
реализации новых актуальных кон-курентно-и патентоспособных идей.
Дополнительные материалы:
Проект
Тепло-Насосной Установки (ТНУ) Сосновый Бор ...подробнее ->
Разработка и внедрение энергосберегающих
технологий с применением тепловых насосов ...подробнее ->
Принципиальная
схема работы теплового насоса (ТНУ) (анимированная картинка 140 kb)
...загрузить ->
