Децентрализованные потребители, которые из-за огромных расстояний от ТЭЦ не могут быть закутаны централизованным теплоснабжением, обязаны иметь рациональное (действенное) теплоснабжение, отвечающее современному техническому уровню и комфортности.
Масштабы употребления горючего на теплоснабжение очень значительны. В текущее время теплоснабжение промышленных, публичных и жилых строений осуществляется приблизительно на 40+50% от котельных, что является не действующим из-за их низкого КПД (в котельных температура сгорания горючего составляет приблизительно Одна тысяча 500 ОС, а тепло потребителю выдается при значительно более низких температурах (60+100 ОС)).
Таким макаром, нерациональное внедрение горючего, когда часть тепла вылетает в трубу, приводит к истощению припасов топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
Постепенное истощение припасов топливно-энергетических ресурсов в европейской части нашей страны потребовало в свое время развития топливно-энергетического комплекса в ее восточных районах, что резко прирастило издержки на добычу и транспорт горючего. В этой ситуации нужно решить самую важную задачку по экономии и отличному использованию ТЭР, т.к. припасы их ограничены и по мере их уменьшения цена горючего будет неколебимо расти.
В связи с этим действующим энергосберегающим мероприятием является разработка и внедрение децентрализованных систем теплоснабжения с рассеянными автономными источниками тепла.
В текущее время более целесообразным являются децентрализованные системы теплоснабжения, базирующиеся на необыкновенных источниках тепла, таких как: солнце, ветер, вода.
Ниже разглядим только два нюанса вовлечения необыкновенной энергетики:
• теплоснабжение на базе термических насосов-
• теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов.
Теплоснабжение на базе термических насосов
Основное предназначение термических насосов (ТН) -отопление и горячее водоснабжение с внедрением природных низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) и сбросного тепла промышленного и коммунально-бытового сектора.
К плюсам децентрализованных термических систем относится завышенная надежность теплоснабжения, т.к. они не связаны термическими сетями, которые в нашей стране превосходят 20 тыс. км, при всем этом большая часть трубопроводов находится в эксплуатации сверх нормативного срока службы (25 лет), что приводит к катастрофам [1]. Не считая этого, строительство протяженных теплотрасс связано со значительными жестокими затратами и большенными потерями тепла. Термические насосы по принципу деяния относятся к трансформаторам тепла, в каких изменение потенциала тепла (температуры) происходит в итоге подведенной снаружи работы [2-6].
Энергетическая эффективность термических насосов оценивается коэффициентами трансформации, учитывающими обретенный «эффект», отнесенный к затраченной работе и КПД.
Обретенный эффект - это количество тепла Qв, которое производит ТН. Количество тепла Qв, отнесенное к затраченной мощности Nэл на привод ТН, указывает, сколько единиц тепла выходит на единицу затраченной электронной мощности. Это отношение μ-=0Β-/Ν-элι-
именуют коэффициентом преобразования либо трансформации тепла, который для ТН всегда больше 1. Некие создатели именуют этот коэффициент КПД, но коэффициент полезного деяния не может быть больше 100%. Ошибка тут в том, что тепло Qв (как неорганизованная форма энергии) делится на Nэл (электронную, т.е. организованную энергию) [8].
КПД же должен учесть не просто количество энергии, а работоспособность данного количества энергии. Как следует, КПД - это отношение работоспособностей (либо эксергий) всех видов энергии [7 ,8]:
з=Еq / ЕN
где: Еq - работоспособность (эксергия) тепла Qв- ЕN - работоспособность (эксергия) электронной энергии Nэл.
Потому что тепло всегда связано с температурой, при которой это тепло выходит, то как следует работоспособность (эксергия) тепла находится в зависимости от температурного уровня T и определяется:
Eq=QBxq,
где τ- - коэффициент работоспособности тепла (либо «фактор Карно»):
q=(Т-Тос)/Т=1-Тос/
где Тос - температура среды.
Для каждого термического насоса эти характеристики равны:
1. Коэффициент трансформации тепла:
μ-=qв/l=Qв/Nэл■-
2. КПД:
η-=Ρ-Β-(τ-ς-)Β-//=Ι-*(τ-ς-)Β->-
где: qв - удельное количество тепла, кДж/кг-
Qв - общее количество тепла, кДж/с-
/ - удельная издержка работы, кДж/кг-
1\1ЭЛ - электронная мощность, кВт-
(tq)B - коэффициент работоспособности тепла =
=1-Тос/Тв[7,8,9].
Для реальных ТН коэффициент трансформации составляет μ-=3-!-4, в то время как η-=30-40%. Это значит, что на каждый затраченный кВт.ч электронной энергии выходит QB=3-i-4 кВт.ч тепла. Это является главным преимуществом ТН перед другими методами получения тепла (электронный нагрев, котельная и т.п.).
За несколько последних 10-ов лет в мире резко возросло создание термических насосов, но в нашей стране ТН по сей день не отыскали широкого внедрения.
Событий тут несколько.
1. Обычная ориентация на централизованное теплоснабжение.
2. Неблагоприятное соотношение меж ценой электроэнергии и горючего.
3. Изготовка ТН проводится, обычно, на базе более близких по чертам холодильных машин, что не всегда приводит к хорошим чертам ТН. Проектирование серийных ТН на определенные свойства, принятое за рубежом, значительно увеличивает как эксплуатационные, так и энерго свойства ТН.
Выпуск теплонасосного оборудования в США, Стране восходящего солнца, ФРГ, Франции, Великобритании и других странах базируется на производственных мощностях холодильного машиностроения. ТН в этих странах употребляются, в главном, для теплоснабжения и жаркого водоснабжения жилищного, торгового и промышленного секторов.
В США, к примеру, эксплуатируется выше Четыре млн единиц термических насосов маленькой, до 20 кВт, производительности тепла на базе поршневых либо ротационных компрессоров. Теплоснабжение школ, торговых центров, бассейнов осуществляется ТН теплопроизводительностью 40 кВт, выполняемыми на базе поршневых и винтообразных компрессоров. Теплоснабжение районов, городов - большими ТН на базе центробежных компрессоров с Qв выше Четыреста кВт тепла. В Швеции из 100 30 тыс. работающих ТН более 100 — теплопроизводительностью 10 МВт и поболее. В Стокгольме теплоснабжение на 50% делается от ТН.
В индустрии термические насосы утилизируют низкопотенциальное тепло производственных процессов. Анализ способности внедрения ТН в индустрии, проведенный на предприятиях 100 шведских компаний, показал, что более подходящей сферой для внедрения ТН являются предприятия хим, пищевой и текстильной индустрии.
В нашей стране вопросами внедрения ТН начали заниматься с Одна тысяча девятьсот 20 6 г. [2]. В индустрии с Одна тысяча девятьсот 70 6 г. работали ТН на чайной фабрике (г. Самтредия, Грузия) [4], на Подольском химико-металлургическом заводе (ПХМЗ) с Одна тысяча девятьсот восемьдесят семь г. [6], на Сагареджойском молочном комбинате, Грузия, в подмосковном молочно-животноводческом совхозе «Горки-2» с Одна тысяча девятьсот шестьдесят три г. Не считая индустрии ТН в то время начали применяться в торговом центре (г. Сухуми) для теплохладоснабжения, в доме (пос. Бу-курия, Молдова), в пансионате «Дружба» (г. Ялта), климатологической поликлинике (г. Гагра), курортном зале Пицунды.
В Рф в текущее время ТН делаются по личным заказам разными фирмами в Нижнем Новгороде, Новосибирске, Москве. Так, к примеру, компанией «Тритон» в Нижнем Новгороде выпускаются ТН теплопроизводительностью от 10 до Две тысячи кВт с мощностью компрессоров Nэл от Три до 600 20 кВт.
В качестве низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) для ТН наибольшее распространение находит вода и воздух. Отсюда более нередко используемыми схемами ТН являются «вода-воздух» и «воздух-воздух». По таким схемам ТН выпускают компании: «Сагriг«, «Lеnnох», Westinghous», «General Electrik» (США), «Нitachi», «Daikin» (Япония), «Sulzer» (Швеция), «ЧКД» (Чехия), «Klimatechnik» (Германия). В ближайшее время в качестве НПИТ употребляют сбросные промышленные и канализационные стоки.
В странах с более ожесточенными климатическими качествами целенаправлено использовать ТН вместе с классическими источниками тепла. При всем этом в отопительный период теплоснабжение построек осуществляется в главном от термического насоса (80-90% годичного употребления), а пиковые нагрузки (при низких температурах) покрываются электрокотлами либо котельными на органическом горючем.
Применение термических насосов приводит к экономии органического горючего. Это в особенности животрепещуще для удаленных регионов, таких как северные районы Сибири, Приморья, где имеются гидроэлектростанции, а транспортировка горючего затруднена. При среднегодовом коэффициенте трансформации м=3-4 экономия горючего от внедрения ТН по сопоставлению с котельной составляет 30-5-40%, т.е. в среднем 6-5-8 кг у.т./ГДж. При увеличении м до 5, экономия горючего растет приблизительно до 20+25 кг у.т./ГДж по сопоставлению с котельными на органическом горючем и до 45+65 кгу.т./ГДж по сопоставлению с электрокотлами.
Таким макаром, ТН в 1,5-5-2,5 раза прибыльнее котельных. Цена тепла от ТН приблизительно в 1,5 раза ниже цены тепла от централизованного теплоснабжения и в 2-5-3 раза ниже угольных и мазутных котельных.
Одной из принципных задач является утилизация тепла сбросной воды термических электрических станций [10]. Принципной предпосылкой внедрения ТН являются огромные объемы тепла, выкидываемые в градирни. Так, к примеру, суммарная величина сбросного тепла на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в период с ноября по март отопительного сезона составляет 20 Мая 100 шестьдесят тыщ Гкал/ч. При помощи ТН можно передать огромную часть этого сбросного тепла (около 50-5-60%) в теплосеть. При всем этом:
• на создание этого тепла не нужно затрачивать дополнительное топливо-
• стала лучше бы экологическая обстановка-
• за счет понижения температуры циркуляционной воды в конденсаторах турбин значительно улучшится вакуум и повысится выработка электроэнергии.
Масштабы внедрения ТН исключительно в ОАО «Мосэнерго» могут быть очень значительны и применение их на «сбросном» тепле гради-
рен может достигать 20 Мая 100 шестьдесят тыщ Гкал/ч. Таким макаром, применение ТН на ТЭЦ прибыльно не только лишь технологически (улучшение вакуума), ну и экологически (настоящая экономия горючего либо увеличение термический мощности ТЭЦ без дополнительных расходов горючего и грозных издержек) [10]. Все это дозволит в термических сетях прирастить присоединенную нагрузку.
Рис.1. Принципная схема системы теплоснабжения ВТГ:
1 - центробежный насос- Два - вихревая труба- Три - расходомер- Четыре - термометр- 5 - трехходовой кран- 6 - вентиль-
7 - батарея- Восемь - калорифер.
Теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов
Автономные водяные теплогенераторы (АТГ) созданы для получения нагретой воды, которая употребляется для теплоснабжения разных промышленных и штатских объектов.
АТГ включает в собственный состав центробежный насос и особое устройство, создающее гидравлическое сопротивление. Особое устройство может иметь различную конструкцию, эффективность работы которой находится в зависимости от оптимизации режимных событий, определяемых НОУ-ХАУ-разработками.
Одним из вариантов специального гидравлического устройства является вихревая труба, включаемая в систему децентрализованного теплоснабжения, работающая на воде [12].
Применение системы децентрализованного теплоснабжения очень перспективно, т.к. вода, являясь рабочим веществом, употребляется конкретно для отопления и жаркого во-
доснабжения, тем делая эти системы экологически незапятнанными и надежными в эксплуатации. Такая децентрализованная система теплоснабжения была смонтирована и испытана в лаборатории Основ трансформации тепла (ОТТ) кафедры Промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) МЭИ.
Система теплоснабжения состоит их центробежного насоса, вихревой трубы и стандартных частей: батареи и калорифера. Обозначенные стандартные элементы являются неотъемлемыми частями всех систем теплоснабжения и потому их наличие и удачная работа дают основания утверждать о надежной работе хоть какой системы теплоснабжения, включающей эти элементы.
На рис. Один представлена принципная схема системы теплоснабжения. Система заполнена водой, которая, нагреваясь, поступает в батарею и калорифер. Система снабжена переключающей арматурой (трехходовыми кранами и вентилями), которая позволяет создавать последовательное и параллельное включение батареи и калорифера.
Работа системы осуществлялась последующим образом. Через расширительный бачок система заполняется водой таким макаром, чтоб из системы был удален воздух, что позднее контролируется по манометру. После чего на шкаф блока управления подается напряжение, задатчиком температуры устанавливается температура воды, подаваемой в систему (50-5-90 ОС), и врубается центробежный насос. Время выхода на режим находится в зависимости от данной температуры. При данной tв=60 ОС время выхода на режим составляет t=40 мин. Температурный график работы системы представлен на рис. 2.
Пусковой период системы составил 40+45 мин. Темп роста температуры составил Q=1,5 град/мин.
Для измерения температуры воды на входе и выходе из системы установлены указатели температуры 4, а для определения расхода - расходомер 3.
Центробежный насос был установлен на легкой передвижной подставке, изготовка которой можно выполнить в хоть какой мастерской. Остальное оборудование (батарея и калорифер) стандартное, приобретаются в специализированных торговых фирмах (магазинах).
Арматура (трехходовые краны, вентили, уголки, переходники и т.д.) также приобретаются в магазинах. Система смонтирована из пластмассовых труб, сварка которых осуществлялась особым сварочным агрегатом, который имеется в лаборатории ОТТ.
Разность температур воды в прямой и оборотной магистралях составила приблизительно Два ОС (Δ-t=tnp-to6=1,6). Время работы центробежного насоса ВТГ составляло в каждом цикле Девяносто восемь с, паузы продолжалось по Восемьдесят два с, время 1-го цикла приравнивалось Три мин.
Система теплоснабжения, как проявили тесты, работает равномерно и в автоматическом режиме (без роли обслуживающего персонала) поддерживает сначало заданную температуру в интервале t=60-61 ОС.
Система теплоснабжения работала при поочередном по воде включении батареи и калорифера.
Эффективность системы оценивается:
1. Коэффициентом трансформации тепла
μ-=(Ο-6+Ο-κ-)/ν-ν-=Σ-Ο-/ν-ν--
2. Коэффициентом полезного деяния
q
где: 20 =Q6+QK - количество тепла, отданное системой-
W - количество электронной энергии, затраченное на привод центробежного насоса- tq=1-T0C/TB - коэффициент работоспособности тепла-
Тв - температурный уровень отданного тепла- Тос - температура среды.
При затраченной электроэнергии W=2 кВт.ч, количество произведенного тепла за этот период составило 20=3816,8 ккал. Коэффициент трансформации равен: μ-=3816,8/1720=2,22.
КПД равен [13]η-=μ-τ- =2,22.0,115=0,255 (~25%), где: tq=1 -(293/331 )=0,115.
Из энергетического баланса системы видно, что дополнительное количество теплоты, выработанное системой, составляло 2096,8 ккал. На сегодня есть разные догадки, пытающиеся разъяснить, как возникает дополнительное количество теплоты, но определенного общепризнанного решения нет.
Выводы
1. Децентрализованные системы теплоснабжения не требуют протяженных теплотрасс, как надо - огромных грозных издержек.
2. Внедрение децентрализованных систем теплоснабжения позволяет значительно уменьшить вредные выбросы от сгорания горючего в атмосферу, что улучшает экологическую обстановку.
3. Внедрение термических насосов в системах децентрализованного теплоснабжения для объектов промышленного и штатского секторов позволяет по сопоставлению с котельными сберегать горючее в количестве 6+8 кг у.т. на Один Гкал выработанного тепла, что составляет приблизительно 30-5-40%.
4. Децентрализованные системы на базе ТН удачно употребляются в почти всех забугорных странах (США, Япония, Норвегия, Швеция и др.). Созданием ТН занимаются более 30 компаний.
5. В лаборатории ОТТ кафедры ПТС МЭИ смонтирована автономная (децентрализованная) система теплоснабжения на базе центробежного водяного теплогенератора.
Система работает в автоматическом режиме, поддерживая температуру воды в подающей магистрали в любом данном интервале от Шестьдесят до Девяносто ОС.
Коэффициент трансформации тепла системы составляет м=1,5-5-2, а КПД равен около 25%.
6. Предстоящее увеличение энергетической эффективности децентрализованных систем теплоснабжения просит проведения научно-технических исследовательских работ с целью определения не нехороших режимов работы.
Литература
1. Соколов Е. Я. и др. Холодное отношение к теплу. Известия от Семнадцать Июня 1987.
2. Михельсон В. А. О динамическом отоплении. Прикладная физика. Т.III, вып. З-4, 1926.
3. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. - М.: Энергоиздат, 1982.
4. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. - М.: Издательство МЭИ, 1994.
5. Мартынов А. В., Петраков Г. Н. Двухцелевой термический насос. Промышленная энергетика № 12, 1994.
6. Мартынов А. В., Яворовский Ю. В. Внедрение ВЭР на предприятиях хим индустрии на базе ТНУ. Хим индустрия № 4, 2000.
7. Бродянский В.М. и др. Эксергетический способ и его приложения. - М.: Энергоиздат, 1986.
8. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энерго базы трансформации тепла и процессов остывания - М.: Энергоиздат, 1981.
9. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и остывания. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
10. ДевянинД.Н., ПищиковС.И., Соколов Ю.Н. Термические насосы - разработка и испытание на ТЭЦ-28. // «Новости теплоснабжения», № 1, 2000.
11. Мартынов А.В., Бродянский В.М. «Что такое вихревая труба?». М.: Энергия, 1976.
12. Калиниченко А.Б., Куртик Ф.А. Теплогенератор с самым высочайшим КПД. // «Экономика и производство», № 12, 1998.
13. Мартынов А.В., Янов А.В., Головко В.М. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора. // «Строительные материалы, оборудование, технологии 20 один века», № 11, 2003.
От редакции: На 2-ой научно-практической конференции «Системы теплоснабжения. Современные решения», которую уже обычно проводит Некоммерческое Партнерство «Российское теплоснабжение», после ряда докладов, посвященных вихревым генераторам тепла, развернулась горячая дискуссия. Собравшиеся сделали вывод, что получение тепла в количестве, превосходящем затраченную электроэнергию, свидетельствует о том, что современная наука еще не может указать источник этой энергии и его природу, а означает, воспользоваться этим явлением следует с последней осторожностью, т.к. воздействие этой установки на окружающую среду и людей не исследованы.
Это подтверждается и современными исследовательскими работами. К примеру, на интернациональной конференции «Аномальные физические явления в энергетике и перспективы сотворения необыкновенных источников энергии», состоявшейся 15-16 июня Две тысячи 5 г. в Харькове, несколько групп исследователей из различных городов Украины произнесли, что они нашли радиационное излучение, создаваемое вихревым теплогенератором.
Так, к примеру, спецы Института технической теплофизики НАН Украины нашли участок на торце вихревой трубы с завышенным (в 1,3-1,9 раза) гамма-излучением по сопоставлению с фоновым значением. Информация о данном опыте была также размещена в журнальчике «Промышленная теплотехника» (Киев) № 6, Две тысячи два г. в статье Халатова А.А., Коваленко А.С., Шевцова С.В. «Определение коэффициента преобразования энергии в вихревом теплогенераторе типа ТПМ 5,5-1». Создателями статьи отмечено, что природа этого излучения пока не совершенно понятна и просит будущего исследования.