Файл: Энергосберегающие технологии на основе использования вэр.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 33
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
вода естественных водоемов, грунт и т.д. Если теплоотдатчиком служит термальная вода или охлаждающая вода промышленных печей, конденсаторов турбин и других производственных агрегатов, то энергетический эффект работы теплового насоса увеличивается.
Во многих странах мира тепловые насосы нашли широкое применение. Их общая мощность за рубежом сегодня составляет примерно несколько миллионов киловатт. Теплонасосные станции серийно выпускаются в Англии, Франции, Швеции, Японии, странах СНГ, включая Республику Беларусь, и других странах мира. Только в США сегодня действует более 2 млн. таких установок [10].
Однако надо признать, что теплонасосные схемы в Республике Беларусь внедряются недостаточно. Это связано как с организацией научных исследований, так и с возможностями промышленности.
Расчетная эффективность от внедрения тепловых насосов чрезвычайно велика. По сравнению с электрообогревом применение тепловых насосов приводит к 3–5-кратной экономии топлива. Это подтверждено как лабораторными экспериментами, так и опытом эксплуатации соответствующих установок.
Использование тепловых насосов применительно к низкопотенциальным источникам теплоты
Тепловые насосы можно использовать в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения) и т.п. Так, для теплоснабжения отдельно стоящих различных насосных станций в настоящее время, как правило, используют преобразование электрической энергии в тепловую с помощью калориферов или различных теплоэлектронагревателей (ТЭНов). Суммарная мощность их ограничена 30 кВт. Это вызывает значительные трудности для обеспечения требуемых расчетных температур воздуха внутри насосных станций [11].
Для экономии электроэнергии предлагается применять тепловые насосы типа «вода–воздух».
В насосных станциях источником низкопотенциальной теплоты может служить перекачиваемая жидкость, а нагреваемым теплоносителем – воздух станции. В этом случае тепловой насос должен находиться непосредственно в насосной станции.
Предлагаемая принципиальная схема отопления водопроводной насосной станции с помощью теплового насоса «вода–воздух» приведена на рис. 46 [11]. Часть перекачиваемой насосами 1 воды подается на испаритель 2, где она охлаждается за счет теплообмена с рабочим веществом теплового насоса, испаряя его. Охлажденная вода возвращается обратно в сеть. Образовавшиеся пары рабочего вещества (хладон-12) из испарителя 2 отсасываются компрессором 3 и сжимаются им до давления, определяемого температурой входящего в конденсатор 4 воздуха, где происходит его нагрев за счет теплоты конденсации рабочего вещества. Образовавшийся конденсат рабочего вещества через дроссель 5 подается вновь в испаритель 2, и цикл повторяется. Расход электроэнергии на прокачивание воды через испаритель незначителен. Для получения тепловой мощности 10 кВт насосу достаточно перекачать через испаритель примерно 2,5 м/ч воды, что составляет менее 1 % объема прокачиваемой воды.
Рис. 46. Принципиальная схема отопления насосной станции с помощью теплового насоса типа «вода-воздух»:
1 – технологические насосы; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – воздушный конденсатор со встроенным вентилятором; 5 – дроссель; В – вода;
Х – хладагент (хладон–12). Пунктиром показана заводская поставка
По данным, приведенным в [10 ], наиболее распространенной за рубежом является схема с комбинированным использованием теплоты грунта и солнечной энергии (рис. 47), хотя сведения об экономической эффективности таких схем пока отсутствуют.
Возможная схема теплонасосного отопления помещения с использованием вентиляционного воздуха показана на рис. 48, а с использованием теплоты естественных водоемов - на рис. 49
ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЕ АППАРАТЫ НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ
Принцип действия, назначение и типы тепловых труб
Термин «тепловая труба» впервые был использован в патенте Гровера, представленном от имени Комиссии по атомной энергии США в 1963 г. Патент Гровера включал описание устройства и результаты экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали, в которых фитили были выполнены из проволочной сетки, а в качестве рабочей жидкости использовался натрий.
Тепловая труба (ТТ) (рис. 50) представляет собой устройство, обладающее высокой эффективностью передачи теплоты. На внутренней стенке ее укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки. Труба заполняется небольшим количеством теплоносителя (рабочей жидкости), после чего из нее откачивается воздух и она плотно закрывается. Один конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы. Здесь в результате охлаждения пар конденсируется и под воздействием капиллярных сил возвращается к горячему концу трубы. Так как теплота парообразования теплоносителя велика, то ТТ и при малой разности температур на концах может передавать большой тепловой поток.
Рис. 50. Основные элементы тепловой трубы: а – продольное сечение
(1 – фитиль; 2 – стенка трубы; 3 - возврат жидкости по фитилю; 4 – пар; 5 – участок конденсации; 6 – адиабатный участок; 7 – испарительный участок);
б – поперечное сечение (1 – стенка; 2 – фитиль; 3 – паровое пространство)
В ТТ различают три участка: зону подвода теплоты, или зону испарения 7, зону переноса теплоты, или адиабатный участок 6; зону отвода теплоты, или зону конденсации 5.
Испаритель в рассматриваемой трубе может располагаться по-разному, и потому она будет работать в любом положении. ТТ позволяет транспортировать теплоту в различных направлениях, по любым прямолинейным и криволинейным каналам, поскольку фитиль, который смачивается в зоне конденсации, будет всегда подавать теплоноситель в зону испарения. Круговорот теплоносителя в ТТ совершается независимо от наличия сил тяжести. Благодаря этому ТТ является универсальным теплопроводом, подобно электрическому проводу, который предназначен для передачи элекроэнергии, или световоду, который осуществляет передачу света.
Эффективность работы ТТ часто определяется с помощью показателя «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая ТТ, где в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 С, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность ТТ может быть очень большой. Так, в ТТ, где в качестве рабочего тела используется литий, при температуре 1500 С в осевом направлении можно передать тепловой поток 10-20 кВт/cм2.
Не менее разнообразны и теплоносители – ацетон, аммиак, фреоны, дифенильные смеси, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли [3, 8].
При выборе материалов и теплоносителей для ТТ необходимо учитывать их совместимость. В противном случае вследствие химического взаимодействия теплоносителя с материалом стенки корпуса образуются продукты реакции в виде неконденсирующегося газа и твердого осадка.
Т а б л и ц а 11
Совместимость материалов ТТ и используемого теплоносителя
В настоящее время уже известны десятки разновидностей конструкций ТТ: наряду с гладкостенными, фитильными, центробежными (вращающимися) существуют электрогидродинамические трубы, трубы с эффектом магнитного поля, осмотические ТТ и другие [8].
Наиболее характерными областями применения ТТ являются: энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. В каждой из этих отраслей они могут использоваться для утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов. Наибольшее применение они находят при температуре ВЭР 50-+250 С, поскольку в данном температурном диапазоне не требуется применение дорогостоящих материалов и теплоносителей.
Для передачи теплоты по криволинейным каналам могут быть использованы гибкие тепловые элементы. Гибкость тепловой трубы достигается установкой в корпус трубки (между испарителем и конденсатором) гибкого элемента типа сильфона или изготовлением трубки из какого-либо пластического материала с использованием обычных металлических секций для подвода или отвода теплоты.
Основы теории тепловых труб можно рассматривать на примере фитильных ТТ. Для обеспечения работы ТТ необходимо соблюдать следующее соотношение:
где pк mах - максимальный капиллярный напор;
рж - перепад давления, необходимый для возврата жидкости из зоны конденсации в испарительную зону;
рn - перепад давления который необходим для перехода пара из испарительной зоны в конденсационную;
рд - гравитационный перепад давления.
Следует заметить, что при несоблюдении условия фитиль в зоне испарения высохнет и работать не будет [10].
Конструкции теплоиспользующих аппаратов с тепловыми трубами
Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) – разновидность рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Появились они в начале 1970-х годов, когда была доказана принципиальная возможность применения тепловых труб в качестве эффективных теплопередающих устройств.
Для теплообменников целесообразны сравнительно дешевые конструкции ТТ, имеющие малые габариты и хорошие теплотехнические характеристики. К таким ТТ можно отнести гладкостенные (термосифоны), фитильные и центробежные. В качестве элементов ТТТ могут успешно применяться и электрогидродинамические, электроосмотические, магнитогидродинамические, осмотические и другие виды тепловых труб.
Эффективность теплообменника с тепловыми трубами обычно оценивается коэффициентом
т = (Тr1 – Tr2)/(Тr1 – Tx1). Здесь Тr1 и Tr2 – температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него; Тx1 - температура холодного теплоносителя на входе.
Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 51, 52 ). В ТТТ имеются зоны испарения и конденсации, в некоторых аппаратах – еще и транспортная (адиабатная) зона, не участвующая в процессе теплообмена. Эти зоны могут иметь различные геометрические размеры, которые лимитируются возможностями тепловых труб по транспорту теплоносителя. Испарительная зона теплообменника находится в потоке теплоотдающей среды, а конденсация – в потоке тепловоспринимающей среды.
Рис. 52. Теплообменник на тепловых трубах–парогенератор
В зависимости от агрегатов состояния теплоносители, омывающие испарительную и конденсационную зону ТТТ, разделяются на три типа: 1) газ–газ (воздух–воздух); 2) газ–жидкость; 3) жидкость–жидкость.
Теплоиспользующие аппараты первого типа применяются в качестве воздухоподогревателей для промышленных процессов, в системах отопления и вентиляции помещения, для кондиционирования воздуха, в агрегатах-утилизаторах животноводческих ферм и т.д. В свою очередь, каждый из типов ТТТ в зависимости от назначения делится на три вида:
1) «процесс–процесс» – для промышленных процессов (подогрев воздуха для котлоагрегатов, металлургических печей, сушильных камер, печей обжига кирпича, цемента и т.п.);
2) «процесс–комфорт» – для использования энергии нагретого отработанного воздуха при обогреве помещений, что позволяет отказаться от индивидуальных котельных;
3) «комфорт–комфорт» – для использования отработанного воздуха в целях подогрева зимой поступающего в помещение холодного воздуха и охлаждение летом поступающего в помещение теплого воздуха .
На рис. 51 приведен теплообменник на тепловых трубах типа "газ–газ" для утилизации теплоты отходящих газов. Испарительные зоны тепловых труб в нем находятся в потоке горячего газа 1(рис.51,б), а конденсационные зоны омываются холодным воздухом 2, который необходимо нагреть. Теплообмен внутри такого теплообменника зависит от положения тепловых труб в поле тяжести. Эта зависимость оказывается особенно сильной при использовании термосифонных тепловых труб.
Во многих странах мира тепловые насосы нашли широкое применение. Их общая мощность за рубежом сегодня составляет примерно несколько миллионов киловатт. Теплонасосные станции серийно выпускаются в Англии, Франции, Швеции, Японии, странах СНГ, включая Республику Беларусь, и других странах мира. Только в США сегодня действует более 2 млн. таких установок [10].
Однако надо признать, что теплонасосные схемы в Республике Беларусь внедряются недостаточно. Это связано как с организацией научных исследований, так и с возможностями промышленности.
Расчетная эффективность от внедрения тепловых насосов чрезвычайно велика. По сравнению с электрообогревом применение тепловых насосов приводит к 3–5-кратной экономии топлива. Это подтверждено как лабораторными экспериментами, так и опытом эксплуатации соответствующих установок.
Использование тепловых насосов применительно к низкопотенциальным источникам теплоты
Тепловые насосы можно использовать в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения) и т.п. Так, для теплоснабжения отдельно стоящих различных насосных станций в настоящее время, как правило, используют преобразование электрической энергии в тепловую с помощью калориферов или различных теплоэлектронагревателей (ТЭНов). Суммарная мощность их ограничена 30 кВт. Это вызывает значительные трудности для обеспечения требуемых расчетных температур воздуха внутри насосных станций [11].
Для экономии электроэнергии предлагается применять тепловые насосы типа «вода–воздух».
В насосных станциях источником низкопотенциальной теплоты может служить перекачиваемая жидкость, а нагреваемым теплоносителем – воздух станции. В этом случае тепловой насос должен находиться непосредственно в насосной станции.
Предлагаемая принципиальная схема отопления водопроводной насосной станции с помощью теплового насоса «вода–воздух» приведена на рис. 46 [11]. Часть перекачиваемой насосами 1 воды подается на испаритель 2, где она охлаждается за счет теплообмена с рабочим веществом теплового насоса, испаряя его. Охлажденная вода возвращается обратно в сеть. Образовавшиеся пары рабочего вещества (хладон-12) из испарителя 2 отсасываются компрессором 3 и сжимаются им до давления, определяемого температурой входящего в конденсатор 4 воздуха, где происходит его нагрев за счет теплоты конденсации рабочего вещества. Образовавшийся конденсат рабочего вещества через дроссель 5 подается вновь в испаритель 2, и цикл повторяется. Расход электроэнергии на прокачивание воды через испаритель незначителен. Для получения тепловой мощности 10 кВт насосу достаточно перекачать через испаритель примерно 2,5 м/ч воды, что составляет менее 1 % объема прокачиваемой воды.
Рис. 46. Принципиальная схема отопления насосной станции с помощью теплового насоса типа «вода-воздух»:
1 – технологические насосы; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – воздушный конденсатор со встроенным вентилятором; 5 – дроссель; В – вода;
Х – хладагент (хладон–12). Пунктиром показана заводская поставка
По данным, приведенным в [10 ], наиболее распространенной за рубежом является схема с комбинированным использованием теплоты грунта и солнечной энергии (рис. 47), хотя сведения об экономической эффективности таких схем пока отсутствуют.
Возможная схема теплонасосного отопления помещения с использованием вентиляционного воздуха показана на рис. 48, а с использованием теплоты естественных водоемов - на рис. 49
ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЕ АППАРАТЫ НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ
Принцип действия, назначение и типы тепловых труб
Термин «тепловая труба» впервые был использован в патенте Гровера, представленном от имени Комиссии по атомной энергии США в 1963 г. Патент Гровера включал описание устройства и результаты экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали, в которых фитили были выполнены из проволочной сетки, а в качестве рабочей жидкости использовался натрий.
Тепловая труба (ТТ) (рис. 50) представляет собой устройство, обладающее высокой эффективностью передачи теплоты. На внутренней стенке ее укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки. Труба заполняется небольшим количеством теплоносителя (рабочей жидкости), после чего из нее откачивается воздух и она плотно закрывается. Один конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы. Здесь в результате охлаждения пар конденсируется и под воздействием капиллярных сил возвращается к горячему концу трубы. Так как теплота парообразования теплоносителя велика, то ТТ и при малой разности температур на концах может передавать большой тепловой поток.
Рис. 50. Основные элементы тепловой трубы: а – продольное сечение
(1 – фитиль; 2 – стенка трубы; 3 - возврат жидкости по фитилю; 4 – пар; 5 – участок конденсации; 6 – адиабатный участок; 7 – испарительный участок);
б – поперечное сечение (1 – стенка; 2 – фитиль; 3 – паровое пространство)
В ТТ различают три участка: зону подвода теплоты, или зону испарения 7, зону переноса теплоты, или адиабатный участок 6; зону отвода теплоты, или зону конденсации 5.
Испаритель в рассматриваемой трубе может располагаться по-разному, и потому она будет работать в любом положении. ТТ позволяет транспортировать теплоту в различных направлениях, по любым прямолинейным и криволинейным каналам, поскольку фитиль, который смачивается в зоне конденсации, будет всегда подавать теплоноситель в зону испарения. Круговорот теплоносителя в ТТ совершается независимо от наличия сил тяжести. Благодаря этому ТТ является универсальным теплопроводом, подобно электрическому проводу, который предназначен для передачи элекроэнергии, или световоду, который осуществляет передачу света.
Эффективность работы ТТ часто определяется с помощью показателя «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая ТТ, где в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 С, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность ТТ может быть очень большой. Так, в ТТ, где в качестве рабочего тела используется литий, при температуре 1500 С в осевом направлении можно передать тепловой поток 10-20 кВт/cм2.
Не менее разнообразны и теплоносители – ацетон, аммиак, фреоны, дифенильные смеси, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли [3, 8].
При выборе материалов и теплоносителей для ТТ необходимо учитывать их совместимость. В противном случае вследствие химического взаимодействия теплоносителя с материалом стенки корпуса образуются продукты реакции в виде неконденсирующегося газа и твердого осадка.
Т а б л и ц а 11
Совместимость материалов ТТ и используемого теплоносителя
| Материал | Теплоноситель | ||||||
| | фреон-11 | вода | ацетон | аммиак | метиловый спирт | калий | натрий |
| Медь | да | да | да | нет | да | - | - |
| Алюминий | то же | нет | то же | то же | нет | - | - |
| Нержавеющая сталь | то же | то же | то же | то же | да | да | да |
| Углеродистая сталь | то же | то же | то же | то же | нет | - | - |
| Никель | то же | да | то же | то же | да | - | - |
В настоящее время уже известны десятки разновидностей конструкций ТТ: наряду с гладкостенными, фитильными, центробежными (вращающимися) существуют электрогидродинамические трубы, трубы с эффектом магнитного поля, осмотические ТТ и другие [8].
Наиболее характерными областями применения ТТ являются: энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. В каждой из этих отраслей они могут использоваться для утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов. Наибольшее применение они находят при температуре ВЭР 50-+250 С, поскольку в данном температурном диапазоне не требуется применение дорогостоящих материалов и теплоносителей.
Для передачи теплоты по криволинейным каналам могут быть использованы гибкие тепловые элементы. Гибкость тепловой трубы достигается установкой в корпус трубки (между испарителем и конденсатором) гибкого элемента типа сильфона или изготовлением трубки из какого-либо пластического материала с использованием обычных металлических секций для подвода или отвода теплоты.
Основы теории тепловых труб можно рассматривать на примере фитильных ТТ. Для обеспечения работы ТТ необходимо соблюдать следующее соотношение:
| pк mах рж + рn + рд , | |
где pк mах - максимальный капиллярный напор;
рж - перепад давления, необходимый для возврата жидкости из зоны конденсации в испарительную зону;
рn - перепад давления который необходим для перехода пара из испарительной зоны в конденсационную;
рд - гравитационный перепад давления.
Следует заметить, что при несоблюдении условия фитиль в зоне испарения высохнет и работать не будет [10].
Конструкции теплоиспользующих аппаратов с тепловыми трубами
Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) – разновидность рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Появились они в начале 1970-х годов, когда была доказана принципиальная возможность применения тепловых труб в качестве эффективных теплопередающих устройств.Для теплообменников целесообразны сравнительно дешевые конструкции ТТ, имеющие малые габариты и хорошие теплотехнические характеристики. К таким ТТ можно отнести гладкостенные (термосифоны), фитильные и центробежные. В качестве элементов ТТТ могут успешно применяться и электрогидродинамические, электроосмотические, магнитогидродинамические, осмотические и другие виды тепловых труб.
Эффективность теплообменника с тепловыми трубами обычно оценивается коэффициентом
т = (Тr1 – Tr2)/(Тr1 – Tx1). Здесь Тr1 и Tr2 – температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него; Тx1 - температура холодного теплоносителя на входе.
Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 51, 52 ). В ТТТ имеются зоны испарения и конденсации, в некоторых аппаратах – еще и транспортная (адиабатная) зона, не участвующая в процессе теплообмена. Эти зоны могут иметь различные геометрические размеры, которые лимитируются возможностями тепловых труб по транспорту теплоносителя. Испарительная зона теплообменника находится в потоке теплоотдающей среды, а конденсация – в потоке тепловоспринимающей среды.
Рис. 52. Теплообменник на тепловых трубах–парогенератор
В зависимости от агрегатов состояния теплоносители, омывающие испарительную и конденсационную зону ТТТ, разделяются на три типа: 1) газ–газ (воздух–воздух); 2) газ–жидкость; 3) жидкость–жидкость.
Теплоиспользующие аппараты первого типа применяются в качестве воздухоподогревателей для промышленных процессов, в системах отопления и вентиляции помещения, для кондиционирования воздуха, в агрегатах-утилизаторах животноводческих ферм и т.д. В свою очередь, каждый из типов ТТТ в зависимости от назначения делится на три вида:
1) «процесс–процесс» – для промышленных процессов (подогрев воздуха для котлоагрегатов, металлургических печей, сушильных камер, печей обжига кирпича, цемента и т.п.);
2) «процесс–комфорт» – для использования энергии нагретого отработанного воздуха при обогреве помещений, что позволяет отказаться от индивидуальных котельных;
3) «комфорт–комфорт» – для использования отработанного воздуха в целях подогрева зимой поступающего в помещение холодного воздуха и охлаждение летом поступающего в помещение теплого воздуха .
На рис. 51 приведен теплообменник на тепловых трубах типа "газ–газ" для утилизации теплоты отходящих газов. Испарительные зоны тепловых труб в нем находятся в потоке горячего газа 1(рис.51,б), а конденсационные зоны омываются холодным воздухом 2, который необходимо нагреть. Теплообмен внутри такого теплообменника зависит от положения тепловых труб в поле тяжести. Эта зависимость оказывается особенно сильной при использовании термосифонных тепловых труб.