Тепловые насосы, работающие на диоксиде углерода

В газожидкостных циклах, реализуемых в тепловых насосах, работающих на диоксиде углероде (ССЬ, R744), рабочее вещество в теплой части (на стороне высокого давления) находится в газообразном состоянии при сверхкритических давлениях и температурах, а в холодной части (па стороне низкого давления) - в виде жидкости и влажного пара [3.28; 3.291.

Применению диоксида углерода в качестве рабочего вещества холодильных машин и тепловых насосов в мире уделяется пристальное внимание. R744 абсолютно безопасен, не горюч, не ядовит, не разрушает озоновый слой, имеет самый низкий среди применяемых рабочих веществ потенциал глобального потепления (таблица 3.11). Кроме того, он доступен в любых количествах и дешев.

Таблица 3.11

Сравнение свойств рабочих веществ_

Параметр

Рабочее вещество

R744

R134a

R142b

R718

Химическая формула

О

и

C2H2F4

C2H,C1F2

H20

Потенциал

разрушения озонового слоя ODP

(относительно R11)

0

0

0,1

0

Потенциал глобального потепления GWP (относительно R744)

1

1300

630

<1

Молекулярная масса ц, кг/кмоль

44,1

102,03

100,5

18,02

Критическое давление Рк„, МПа

7,38

4,06

4,12

22,1

Критическая температура tKn, °С

31,1

101,1

137,2

374,2

Нормальная температура кипения ts, °С

  • -78,4
  • (сублимация)

-26,1

-9,8

+ 100

Диоксид углерода обладает рядом уникальных термодинамических и теплофизических свойств. Низкая нормальная температура кипения, обусловливает высокий уровень давлений в системе. Высокие давления и некоторые другие свойства R744 делают невозможным использование существующего базового холодильного оборудования (компрессоров, теплообменных аппаратов, арматуры, приборов автоматики). Возникает необходимость создания оригинальных конструкций машин. Другое свойство - низкая критическая температура - приводит к тому что, в большинстве случаев реализуются термодинамические циклы, в которых конденсация заменена малоизученным процессом охлаждения газообразного R744 при постоянном давлении в надкритической области.

Достаточно высокая температура газа после компрессора в цикле на R744 не связана жестко с давлением, как в парокомпрессиониых тепловых насосах. Значительное изменение температуры при охлаждении газообразного R744 в надкритической области позволяет нагревать теплоносители на большую разность температур с минимальными потерями энергии. Служебные свойства R744, как рабочего вещества для ТН, могут быть выявлены на основе сравнительного анализа параметров эквивалентных

термодинамических циклов для нескольких рабочих веществ.

В парокомпрессионных фреоновых тепловых насосах в зависимости от требуемой температуры нагрева теплоносителя применяются вещества среднего давления (например, R134a) и, чаще, низкого давления (например R142b). R744 - рабочее вещество высокого давления, что во многом определяет специфику его свойств. Полярным по отношению к R744 рабочим веществом является вода (R718). Этому природному экологически чистому веществу сверхнизкого давления также уделяется внимание, как перспективному для ТН.

В таблице 3.12 приведены характерные параметры теоретических циклов ТН с изоэнтропным сжатием и расширением для четырех упомянутых рабочих веществ.

Таблица 3.12

Параметры теоретических циклов ТН для различных рабочих веществ

Параметр

Рабочие вещества

R744

R134a

R142b

R718

Давление кипения р0,МПа

3,97

0,35

0,17

0,89-103

Давление после компрессора рк2),МПа

12,7

2,93

1,57

0,059

Отношение давлений

я* = Рк > Ра

3,2

8,36

9,03

66,3

Удельная массовая теплопроизводительность

цг, кДж / кг

162,9

180,7

215,2

3246

Изоэнтропная работа сжатия 1г,кДж1кг

44,6

43,2

49,7

923

Изоэнтропный коэффициент преобразования 1Дж/Д.ж

5,765

4,663

4,668

3,680

Плотность насыщенного пара при р",кг/мг

114,0

17,14

8,00

6,7910"'4

Удельная объемная теплопроизводительность q, =qKp ’,кДж/м3

18561

3097

1722

22,1

То же, по отношению к R744

100

16,7

9,3

0,12

Фактор соотношения массовых скоростей при

Др / р = idem М = (Ptfi')05

21,3

2,45

1,18

2,46-10 3

То же, по отношению к R744

М / М R144 ,%

100

11,5

5,5

0,01

Отношение работы расширения к работе сжатия / / 1аж

0,367

0,103

0,076

0,044

Исходные температуры: теплоносителя (нагреваемой воды) tw[ = 40 °C,twi = 80 °С;

ИНТ (охлаждаемой воды) Ы=10 °С; кипения to=5 °С; конденсации tK=85 °С (кроме R744)

Отметим следующие особенности R744, которые можно считать его преимуществами как рабочего вещества для ТН:

  • • высокая плотность пара р" и высокая удельная объемная теплопроизводителыюсть qv обусловливают малую требуемую объемную производительность и размеры компрессора;
  • • малое отношение давлений в цикле создает благоприятные условия для эффективной работы компрессора (так, при использовании центробежного компрессора потребуется лишь одна ступень сжатия);
  • • высокий уровень давлений и высокая плотность газообразного R744 позволяют при одинаковом с хладонами относительном гидросопротивлении Др/р в трактах иметь более высокие массовые скорости потока (соответственно сокращаются проходные сечения каналов и диаметры труб);
  • • высокие массовые скорости потока R744 в теплообмениых аппаратах позволяют достичь высоких коэффициентов теплоотдачи и сократить массу и габариты теплообменников;
  • • существенно большая по сравнению с хладонами доля работы расширения в работе цикла создает условия для использования детандера с целью повышения коэффициента преобразования ТН.

Эти свойства R744 позволяют создать ТН большой тепловой мощности. Если для парокомпрессионных ТН в настоящее время предельная тепловая мощность составляет примерно 20 МВт, то для ТН па R744 она может быть 50 МВт и более в одном агрегате. Укажем также па то, что температура нагрева теплоносителя до tW2=80 °С для хладоиовых ТН близка к предельной прежде всего из-за больших отношений давлений лк.

Параметры цикла на R718 таковы, что создание эффективных водяных ТН связано с большими трудностями из-за весьма значительных объемов пара и отношений давлений лк, чувствительности к гидравлическим сопротивлениям в трактах, необходимости поддержания вакуума в системе и др.

На основе результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований авторами работы предложен ряд технических решений и обобщенная принципиальная схема ТН на R744, в которой предусматриваются варианты исполнения. Выбор вариантов схемы должен производиться на основе оптимизационных расчетов для конкретных условий работы.

Тепловой насос на диоксиде углерода ТНС02-23000

Рис. 3.17. Тепловой насос на диоксиде углерода ТНС02-23000

1 -турбокомпрессор; 2-водонагреватель;

З-регулирующий клапан; 4-огделитель жидкости;

  • 5- насос для циркуляции ССЬ;
  • 6- водоохладитель;
  • (трубопроводы: оранжевыс-высокого давления (9,0... 13,0МПа);

зеленые-низкого давления (4,0...6,0МПа);

стрелки: красные - нагреваемая сетевая вода (5...90 °С); синие- исгочник бросовой теплоты 15...40 °С)

В рамках ФЦНТП 2002-2006 (Роснаука) НПФ ЭКИП, МГУИЭ, МЭИ и другие соисполнители, разработали конструкторскую документацию на базовый опытно-промышленный образец ТНС02 мощностью до 23 МВт (ТНС02-23000) (см.рис.3.13), 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.

ТНС02-23000 спроектирован в блочном исполнении. В состав теплонасоспой установки может быть включено необходимое количество ТНС02-23000 для достижения требуемой теплопроизводителыюсти и обеспечения резерва.

ТНС02-23000 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).
ТНСО2-20 в производственно- испытательном комплексе ОАО «НПО Гелиймаш»

Рис. 3.18. ТНСО2-20 в производственно- испытательном комплексе ОАО «НПО Гелиймаш»

В настоящее время разрабатываются опытный образец ТНС02 (см.рис.3.16) для работы в составе ТЭЦ МЭИ; конструкторская документация на ТНС02 тепловой мощностью около 20 МВт: компрессорный агрегат (ЗАО «НИИТурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа») и аппаратный агрегат (ОАО «Машиностроительный завод «ЗИО-Подольск»»); готовится проектная документация па теплонасосную установку общей тепловой мощностью до 35 МВт для объекта первой привязки.

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 разработаны алгоритмы проектного и поверочного расчета и созданы компьютерные программы в среде MathCAD. Разработанные компьютерные программы позволили рассчитать ожидаемые параметры основных элементов ТНС02 и теплового насоса в целом, которые были использованы при создании теплотехнического стенда и разработке программ и методик проведения исследований.

На созданном теплотехническом стенде выполнен полный комплекс исследований процессов ТНС02. Его принципиальная схема соответствует реальной схеме ТНС02, а тепловая мощность составляет 2-6 кВт в зависимости от режима работы. Использование для компримирования рабочего вещества (R744) мембранного компрессора 1,6МК8/200, позволяет проводить исследование процессов ТНС02 без учета влияния масла в потоке рабочего вещества. При проведении экспериментального исследования теплообмениых поверхностей применялась соосная конструкция («труба в трубе»), в которой осуществлялся противоточиый теплообмен между теплоносителем (вода) и диоксидом углерода. В результате проведенного физического эксперимента 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 ТНС02 как малой, так и большой тепловой мощности, R744 всегда течет в трубах — это позволило при разработке компьютерных программ расчета реальных аппаратов ТНС02 воспользоваться базовой программой, разработанной для экспериментальных аппаратов насосной конструкции. В результате проведенных работ создан надежный инструмент для проведения численного исследования по поиску оптимальных параметров газоохладителей, испарителей и регенеративных теплообменных аппаратов ТНС02.

Данный вычислительный комплекс использовался при проектировании высокоэффективных теплообменных аппаратов реальных ТНС02 с учетом разработанных методик нахождения оптимальных параметров теплопередающей поверхности аппаратов и аппаратов в целом (теплогидравлическая и технико-экономическая оптимизация).

С опорой на результаты выполненных работ, а также с целью проверки основных технических решений и конструкций элементов разработан первый в пашей стране ТНСО2-20 с тепловой мощностью до 20 кВт. Этот пилотный образец теплового насоса изготовлен и испытан па производственной базе ОАО «НПО Гелиймаш» (рис.3.16).

ТНСО2-20, спроектированный применительно к условиям отопления и горячего водоснабжения (ГВС) жилого дома площадью до 300 м2 отмеченный на Всероссийском конкурсе «На лучшую научно- техническую разработку в области развития перспективных технологий для реального сектора экономики» в рамках выставки «Перспективные технологии XXI века».

Для перехода от малых ТНС02 к крупным ТНС02 создан опытный образец ТНС02-8 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 ТНС02 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 па R744.

В настоящее время разработана конструкторская документация на тепловой насос мощностью до 23 МВт (ТНС02-23000). Основными элементами разработанного ТНС02-23000 являются: турбокомпрессорпый агрегат; аппаратный агрегат; система автоматизации и управления; вспомогательное оборудование; арматура; трубопроводы.

На современном этапе выполнения работ разрабатывается проектная документация на технологическую часть проекта теплонасоспой установки мощностью до 35 МВт, состоящую из двух ТНС02-23000 и предназначенную для теплоснабжения промышленных объектов и жилищного комплекса. Проектируемая установка использует в качестве источника низкопотенциалыюго тепла (НПТ) тепловую энергию промышленных выбросов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >