Підвищення ефективності промислового та індивідуального тепло- та водопостачання на основі комбінованого використання вторинних та альтернативних енергоресурсів

Размещено на http://www.allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 662.987:643.334:697.7

Підвищення ефективності промислового та індивідуального тепло- та водопостачання на основі комбінованого використання вторинних та альтернативних енергоресурсів

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Камінський Олександр Віталійович

Одеса 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі „Теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій” в Одеському національному політехнічному університеті (ОНПУ), Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Мазуренко Антон Станіславович, Одеський національний політехнічний університет, директор енергетичного інституту ОНПУ, завідувач кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, професор Нікульшин Володимир Русланович, Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти та науки України, завідувач кафедри загальної, теоретичної та нетрадиційної енергетики.

2. Кандидат технічних наук, професор Шелєпов Ігор Григорович, Українська інженерно педагогічна академія Міністерства освіти та науки України, професор кафедри теплоенергетичних установок ТЕС та АЕС

Провідна установа - Одеська державна академія холоду Міністерства освіти та науки України

Захист відбудеться 06.02.2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою:

65044, м. Одеса, проспект. Шевченка, 1, тел. 288-205

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти та науки України.

Автореферат розісланий 03.01. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. Зайцев О.М.

АНОТАЦІЯ

теплонасосний водопостачання обладнання

Камінський О.В. Підвищення ефективності промислового та індивідуального тепло- та водопостачання на основі комбінованого використання вторинних та альтернативних енергоресурсів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, спеціальність 05.14.06 “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”, Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2007.

Обґрунтована можливість використання енергозберігаючих технологій для промислового та індивідуального теплозабезпечення з використанням вторинних та альтернативних джерел енергії. Виконаний аналіз світового досвіду утилізації вторинних та альтернативних джерел енергії в установках теплопостачання, наведені теоретичні засади їх використання. Визначені методи та шляхи підвищення ефективності використання комбінованих систем теплопостачання на базі скидних та ґрунтових вод .Встановлено, що використання комбінованих систем теплопостачання на основі скидних та ґрунтових вод є раціональним шляхом підвищення ефективності і надійності теплозабезпечення. Запропонований новий метод тепло- та водопостачання з використанням ґрунтових вод на базі ТН установки. Для запропонованої системи альтернативного теплопостачання розроблена методика та алгоритм розрахунку, представлені результати числового моделювання, які підтвердили його ефективність і надійність.

Виконана оцінка енергетичної ефективності сучасних технологій комбінованого виробництва тепла і електроенергії, виявлені резерви енергозбереження, які містяться в утилізації вторинних джерел енергії. Розроблені теоретичні засади взаємодії теплофікаційної системи з системою опалення і гарячого водопостачання, математичні моделі температурних режимів та виконано аналіз результатів числового моделювання. Запропонована технологія підвищення теплової ефективності теплофікаційної установки за рахунок утилізації скидної теплоти. Підвищення теплової ефективності системи досягається за рахунок більш повного використання теплоти зворотньої лінії теплопостачання, що знижує втрати в довкілля, зменшує температуру живильної води на вході в економайзер парогенератора і знижує температуру димових газів, що відходять в парогенератора, підвищуючи ККД системи. Встановлено, що запропонована система дозволяє збільшити її теплову ефективність на 2 %, що відповідає економії палива 3 %.

Представлена методика ексергетичного аналізу та встановлена ексергоекономічна доцільність використання альтернативних систем енергозабезпечення та результати узагальненого аналізу традиційних та альтернативних систем теплопостачання. Виконана оцінка економічного та екологічного ефекту.

Ключові слова: комбінована система теплопостачання, математичне моделювання, енергетична ефективність, ексергоекономічний аналіз.

АННОТАЦИЯ

Каминский А.В. Повышение эффективности промышленного и индивидуального тепло- и водоснабжения на основе комбинированного использования вторичных и альтернативных энергоресурсов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2007.

Обоснована возможность использования энергосберегающих технологий для промышленного и индивидуального тепло- и водоснабжения с использованием вторичных и альтернативных источников энергии. Выполнен анализ мирового опыта утилизации вторичных и альтернативных источников энергии в комбинированных установках централизованного и децентрализованного теплоснабжения и приведены теоретические основы их использования. Определенны методы и пути повышения эффективности использования комбинированных систем теплоснабжение на базе вторичной энергии и грунтовых вод как средства энергосбережения.

Установлено, что использование комбинированных систем децентрализованного тепло- и водоснабжения на основе грунтовых вод является рациональным путем повышения их эффективности и надежности. Предложенный метод тепло- и водоснабжения с использованием грунтовых вод на базе теплонасосного цикла является эффективным для комбинированного обеспечения потребителей отоплением и питьевой водой, что особенно актуально для регионов, которые отличаются циркуляцией грунтовых вод вблизи поверхности грунта, так как одновременно решается проблема предупреждения подтопления домов в период паводков, что создает дополнительный социально-экономический эффект. Для предложенной комбинированной системы альтернативного теплоснабжения разработана методика и алгоритм расчета теплообменного оборудования, результаты численного моделирования подтвердили эффективность обеспечения потребителей одновременно отоплением и питьевой водой. Реализация предложенного метода позволяет увеличить ресурс испарителя, наиболее дорогостоящего элемента теплонасосной системы в несколько раз, сохранить высокий коэффициент теплопередачи и повысить надежность установки, а использование очищенной воды дополнительно повышает в 2 раза экономическую эффективность системы.

Выполнена оценка энергетической эффективности существующих технологий комбинированного производства теплоты и электроэнергии, выявлены резервы энергосбережения, которые содержатся в утилизации вторичных источников энергии с целью уменьшения потерь теплоты в окружающую среду. Разработаны теоретические основы взаимодействия теплофикационной системы с системой отопления и горячего водоснабжения, математические модели температурных режимов и выполнен анализ результатов числового моделирования. При использовании рациональной теплофикационной схемы полезного эффекта можно достичь за счет снижения потерь теплоты. Предложена технология повышения тепловой эффективности теплофикационной установки за счет утилизации сбросной теплоты. Задача усовершенствования теплофикационной системы решается тем, что на обратных линиях отопительной сети после отопительных приборов установлены рекуперативные теплообменники, подключенные к сети горячего водоснабжения. Повышение тепловой эффективности системы достигается за счет более полного использования теплоты обратной линии теплоснабжения, которое снижает потери у окружающей среды, уменьшает температуру питательной воды на входе в экономайзер парогенератора и снижает температуру дымовых газов, которые отходят у парогенератора, повышая ККД системы.

В результате анализа установлено, что предложенная система рационального взаимодействия теплофикационной системы с системой отопления и горячего водоснабжения на основах энергосбережения разрешает увеличить его тепловую эффективность на 2 %, что соответствует экономии топлива 3 %.

Представлена методика эксергетического анализа и установлена эксергоэкономическая целесообразность использования альтернативных систем энергоснабжения. Результаты обобщенного анализа систем теплоснабжения с использованием разных источников энергии показывают, что альтернативные системы в 12-15 раз более эффективны, чем традиционные. Определены общие затраты на реализацию проекта и выполнена оценка экологического эффекта.

Ключевые слова: комбинированная система теплоснабжения, математическое моделирование, энегетическая эффективность, эксергоэкономический анализ.

SUMMARY

Kaminski A.V. Increase of efficiency of industrial and individual heat supply on basis of combined use of secondary and alternative power resources - Manuscript.

Thesis for a for scientific degree of technical sciences by specialty 05.14.06 - “Technical thermophysics and industrial heat-and-power engineering”, Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2007.

The opportunity of use energy saving technologies for industrial and individual heat supply systems on base of secondary and alternative energy sources is proved. The analysis of world experience of use of secondary and alternative sources of energy for heat supply is executed, theoretical bases are developed. Methods and ways of increase of efficiency of combined heat supply systems on base of waste and subsoil waters are determinate. It was established, that use of combined heat supply systems on the basis of waste and subsoil waters is the rational way for efficiency and reliability increase. New method of heat supply on base of subsoil waters is offered. For combined alternative heat supply systems technique and algorithms of calculation are developed, the results of numerical modeling confirmed its efficiency and reliability.

Energy efficiency of modern technologies of the combined production of heat and electricity is estimated and reserves of energy saving on base of recycling secondary energy sources are executed. Theoretical bases of interaction of main installation with a contour of heat and hot water supply system are developed; mathematical models of temperature modes and the analysis of results of numerical modeling are executed. The technology of increase of energy efficiency of installations on base of recycling heat is offered. Increase of effectiveness of system is achieved due to full use of heat and reduction of losses to environment. It is established, that the combined production of heat and electric power allows increasing energy efficiency on 2 % that corresponds to economy of fuel 3 %.

Techniques of exergy analyze exergy-economic expediency of alternative systems of energy supply and results of generalized analysis of traditional and alternative systems a heat supply are worked out. The estimation of economic and ecological effect is executed.

Key words: combined system of heat supply, mathematical modeling, energy efficiency, exergy analyze

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Впровадження енергозберігаючих технологій в системах тепло- і водопостачання промислових та індивідуальних споживачів є важливим елементом раціональної організації промислового виробництва та побуту населення. Енергетична ефективність вказаних систем здійснює суттєвий вплив на умови життя, ефективність виробничого процесу та стан довкілля. Системи тепло- і водопостачання промислових та індивідуальних споживачів України переважно є централізованими, на реалізацію яких в житлово-комунальному секторі витрачається 21 % загального споживання органічного палива енергетикою України, 95 % з якого переважно є газ. Теперішні вимоги щодо зміни структури паливно-енергетичного балансу стосуються скорочення частки газового палива і створення енергозберігаючої структури виробництва на основі комплексного рішення питань впровадження енергозберігаючих технологій.

Раціональним шляхом підвищення ефективності і зниження втрат теплової енергії в централізованих системах теплопостачання є утилізація вторинної теплоти, а в системах децентралізованого тепло- та водозабезпечення раціональним є використання низькопотенційного тепла ґрунтових чи скидних вод на базі теплонасосного циклу.

Дослідження українських фахівців, що підтверджені висновками міжнародних експертів, показують, що енерговитрати на одиницю валового продукту в Україні в 2 - 3 рази перевищують енерговитрати економічно розвинутих країн. Крім того, важливою проблемою є зменшення екологічних наслідків від спалення органічного палива. При раціональному використанні вторинної та альтернативної енергії можна забезпечити 25 % і 50 % потреб в опаленні і гарячому водопостачанні, відповідно. Найбільш перспективним шляхом для України є вдосконалення процесів в елементах комбінованих промислових та індивідуальних систем теплопостачання. Отже, дослідження установок альтернативного тепло- та водопостачання є актуальними, спрямованими на вирішення важливої народногосподарської проблеми впровадження енергозберігаючих технологій в системах промислового та індивідуального тепло- та водопостачання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи одержані при виконанні НДР у відповідності Закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” за пріоритетним напрямком 3. “Збереження навколишнього середовища та сталий розвиток” та 6. “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, Постанови Верховної Ради України № 75/94-ВР від 1.07.94 р., Постанови Кабінету Міністрів України: № 148 від 5.02.97 р. “Про комплексну державну програму енергозбереження України”; Листа Державного Комітету України з Енергозбереження № 38 4/3 від 22.01.00 р. щодо підготовки енергозберігаючих проектів з метою зменшення шкідливих викидів, а також у межах держбюджетної НДР № 409-41 (з 2000 по 2005 р.). Зміст і тематика роботи відповідають задачам державної програми „TASIS” Енергетичного Центру ЄС в Україні, що визначає актуальність теми.

Мета роботи - науково-технічне обґрунтування та дослідження умов раціонального використання комбінованих установок централізованого та децентралізованого тепло- та водопостачання на базі вторинних та альтернативних джерел енергії для вирішення проблем енергозбереження та захисту довкілля.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані та розв'язані наступні задачі:

- теоретичні дослідження енергетичної ефективності децентралізованих теплонасосних систем, що дозволяє забезпечити комбіноване тепло- та водопостачання на базі скидних та ґрунтових вод;

- математичне моделювання теплових процесів в елементах теплообмінного обладнання запропонованої децентралізованої теплонасосної системи комбінованого тепло- та водопостачання питною водою на базі скидних та ґрунтових вод та визначення раціональних умов її використання;

- теоретичні дослідження енергетичної ефективності комбінованої теплофікаційної системи, що дозволяє підвищити теплову ефективність централізованих систем теплопостачання за рахунок раціонального використання вторинної енергії;

- математичне моделювання теплових процесів в елементах теплообмінного обладнання запропонованої комбінованої теплофікаційної системи та визначення раціональних умов її використання;

розробка методики розрахунку, алгоритмів і програм числового моделювання теплових процесів в елементах комбінованих теплофікаційних установок централізованого та децентралізованого тепло- та водопостачання і рекомендацій для практичного використання.

Об'єктом дослідження є системи централізованого та децентралізованого тепло- та водопостачання на основі комбінованого використання вторинних і альтернативних енергоресурсів, як один з напрямків вирішення проблеми енергозберігаючих технологій.

Предметом дослідження є теплові процеси в елементах комбінованих теплофікаційних систем промислового і індивідуального тепло- і водопостачання на базі вторинних та альтернативних джерел енергії та визначення умов раціонального їх використання, що дозволяє підвищити ефективність централізованого та децентралізованого теплопостачання, забезпечити зростання частки заміщення традиційного палива та покращити екологічний стан довкілля.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

- розроблені науково-технічні засади раціонального використання комбінованих систем промислового та індивідуального теплопостачання;

- на основі аналізу теоретичних та експериментальних даних розроблена методика оцінки енергетичної ефективності комбінованих систем промислового та індивідуального теплопостачання з урахуванням конструктивних, схемних рішень і режимів роботи;

- створені наукові засади раціонального вибору схем та параметрів комбінованих систем промислового і індивідуального теплопостачання, виявлені раціональні умови їх експлуатації.

- встановлені техніко-економічні та екологічні показники комбінованих систем промислового і індивідуального теплопостачання на базі вторинних та альтернативних джерел енергії.

Практична значимість результатів. Одержані результати дозволяють:

- досягти раціональних енергетичних характеристик комбінованих систем промислового та індивідуального теплопостачання на базі енергозберігаючих технологій;

- підвищити енергетичну ефективність комбінованих систем промислового та індивідуального теплопостачання;

- зменшити об'єм теплових викидів продуктів спалення в довкілля за рахунок використання вторинних та альтернативних енергоресурсів.

Результати роботи були впроваджені:

- у територіальному управлінні держаної інспекції з енергозбереження по Одеський області у вигляді рекомендацій до планування регіональної політики в напрямку розвитку та вдосконаленням різних форм енергопостачання, що передбачає створення, використання та впровадження енергозберігаючих технологій;

- в діяльності науково-виробничої лабораторії “Енергозберігаючі технології” кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій ОНПУ, результати роботи використовуються в курсовому і дипломному проектуванні, в практичних і лабораторних роботах кафедри ТЕС та ЕТ ОНПУ для студентів спец. 7.090521 та 7.090510 “Теплоенергетика” та включені до звіту ДБ НДР 204-41 Міністерства освіти та науки України.

- робота визнана переможцем міжнародного конкурсу проектів ЄС Energy Globe 2006 (Брюссель, Бельгія).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, що представлені в дисертаційній роботі, одержані автором в період 2003 - 2006 рр. Теоретичні дослідження виконані особисто, а впровадження розробок здійснювалось при безпосередній участі автора. Наукові праці [2, 3, 4] виконані одноосібно. В роботах [1,5,6,7,8], що написані в співавторстві, автору належить розробка та аналіз математичних моделей, опрацювання результатів теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз енергетичної ефективності та розробка рекомендацій щодо раціональних режимів роботи комбінованих систем тепло- та водопостачання промислових і індивідуальних споживачів. Особистим внеском автора в роботу є вивчення проблематики, критичний аналіз сучасних систем теплопостачання, постановка мети і задач дисертаційної роботи; розробка ідей, принципів та методики дослідження; розробка математичних моделей процесів теплообміну в елементах комбінованих систем промислового та індивідуального теплопостачання; розробка методики, алгоритмів і програм числового моделювання теплових процесів; розробка рекомендації щодо практичного застосування результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертації були оприлюднені та обговорювались на:

1. Міжнародній науково-технічній конференції „Енергоефективність 2005” з доповіддю на тему „Підвищення енергетичної ефективності комбінованого виробництва теплової та електричної енергії”, м. Одеса (Україна), 14 жовтня 2005 р.

2. ІІ Міжнародній науково-практичній Інтернет конференції “Науковий потенціал світу-2005” з доповіддю на тему „Спосіб підвищення ефективності комбінованого виробництва тепла і електроенергії”, м. Дніпропетровск (Україна), 19-30 вересня 2005 р.

Науково-практичній конференції “Наукові дослідження і їх практичне використання” з доповіддю на тему „Перспективи використання системи опалення та водопостачання на базі ґрунтових вод”, м.Одеса (Україна), 1-15 жовтня 2005 р.

4. Семінарі Одеського регіонального центру енергозбереження та енергоменеджменту, територіального управління держінспекції з енергозбереження по Одеській області, Одеського міськвиконкому, Одеської облдержадміністрації “Перспективи впровадження енергозберігаючих технологій та обладнання на підприємствах і установах Одещини” з доповіддю “Комбіновані системи промислового і індивідуального теплопостачання з використанням скидних та грунтових вод”, м. Одеса (Україна), 1 - 2 листопада, 2005 р.

5. Х Міжнародному Форумі Енергетиків GRE'2006 „Енергетичне господарство та обладнання” з доповіддю на тему “Теплонасосна установка теплопостачання і водопостачання на базі ґрунтових вод”, м. Бєльсько-Бяла - Ополе (Польща), 12 - 14 червня 2006 р.

6. Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми енергозберігаючих технологій в АПК” з доповіддю на тему „Установка тепло- и водоснабжения на базе грунтовых вод”, м. Київ (Україна), 22 - 23 червня 2006. р.

7. Науково-технічній конференції „Енергозберігаючі технології в муніципальній і промисловій теплоенергетиці 2006 ”, м. Одеса (Україна), 27 червня 2006 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових праць (3 одноосібних), з них 5 публікацій (1 одноосібна) у фахових виданнях, визнаних ВАК України, 3 повних тексти доповідей (2 одноосібні) на міжнародних наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Викладена на 123 стор., містить 28 рисунків на 18 стор., 13 таблиць на 8 стор., список використаних джерел з 97 найменувань на 8 стор. та 5 додатків на 17 стор.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена характеристика роботи, сформульовані актуальність проблеми, завдання дослідження і основні положення, які виносяться на захист.

В першому розділі проаналізовано стан та перспективи розвитку систем промислового ті індивідуального тепло- і водопостачання відповідно з призначенням та умовами експлуатації на основі раціонального використання вторинних та альтернативних енергоресурсів. Наведено аналітичний огляд проблеми, що базується на вивченні інформації, викладеної в статтях і монографіях зарубіжних та вітчизняних спеціалістів, таких як Д.Рей, Д.Макмайкл, Д.Тсатсароніс, Б.Х.Драганов, О.В.Дорошенко, Р.А.Амерханов та інш. Виконаний аналіз існуючих систем альтернативного промислового і індивідуального теплопостачання свідчить, що теоретичним та експериментальним дослідженням, спрямованим на підвищення ефективності теплових процесів, вдосконалення схемних та конструктивно-технологічних рішень систем тепло- і водопостачання на основі комбінованого використання вторинних та альтернативних енергоресурсів приділяється недостатньо уваги. В відомих публікаціях відсутні математичні моделі, аналіз та методика визначення енергетичної ефективності комбінованих систем промислового та індивідуального тепло- та водопостачання на основі вторинних та альтернативних джерел. В теперішній час в Україні та за її межами комбіновані системи централізованого та децентралізованого теплопостачання з раціональним використанням вторинних та альтернативних енергоресурсів досліджені недостатньо, рекомендації відрізняються окремим характером, відсутня методика аналізу теплових процесів, недостатньо відомостей щодо раціональних режимів роботи.

Обґрунтована необхідність використання енергозберігаючих технологій для промислового та індивідуального теплозабезпечення на базі вторинних та альтернативних джерел енергії. Виконаний аналіз світового досвіду утилізації вторинних та альтернативних джерел енергії в комбінованих установках централізованого та децентралізованого теплопостачання. Визначені методи та шляхи підвищення ефективності комбінованих централізованих систем теплопостачання на базі вторинної енергії як засобу енергозбереження, що дає виграш в енерговитратах та зменшує теплове забруднення навколишнього середовища. Визначені методи та шляхи підвищення ефективності комбінованих систем децентралізованого тепло- та водопостачання на базі ґрунтових вод.

В другому розділі представлені результати теоретичних досліджень та виконано математичне і числове моделювання основних енергетичних характеристик, які впливають на ефективність роботи комбінованих систем децентралізованого тепло- і водопостачання з використанням низькопотенційної теплоти ґрунтових вод на базі теплонасосного циклу. Запропонований новий метод тепло- та водопостачання з використанням ґрунтових вод є ефективним щодо комбінованого забезпечення споживачів одночасно опаленням та питною водою, що особливо актуально для регіонів, які відрізняються циркуляцією ґрунтових вод біля поверхні ґрунту, бо попереджується підтоплення будинків в період паводків. Новий підхід до розв'язання поставленої задачі міститься в раціональному розміщені бурових свердловин, які можуть забезпечити достатню витрату води необхідної для підтримання теплової потужності при високій інтенсивності теплообміну з поверхнею випарника. Ефективність роботи комбінованої теплонасосної системи альтернативного теплопостачання на базі низькопотенційного тепла ґрунтових та скидних вод підвищується за рахунок встановлення модуля очищення води перед випарником теплового насосу, що попереджає утворення відкладень в ньому і створює додаткову можливість використання очищеної води на виході з випарника для постачання питною водою споживачів (рис. 1).

Рис. 1 Система опалення та водопостачання з використанням ґрунтових вод: 1 - свердловина; 2,7,11 - насоси; 3 - модуль водоочищення; 4 - випарник; 5 - бак; 6 - лінія водопостачання; 8 - компресор; 9 - конденсатор; 10 - дросель; 12 - радіатори

Насос 2 відкачує ґрунтову воду зі свердловини 1 і направляє її в модуль очищення 3, далі в випарник 4, де ґрунтова вода охолоджується приблизно з 14 оС до 4 оС, потім в бак 5 чистої води, що подається в лінію водопостачання 6. Одночасно крізь випарник 4 циркулює холодильний агент, який в результаті свого випарювання відбирає теплоту від ґрунтової води. Компресор 8 відкачує утворені пари холодильного агенту з випарника при тиску насичення, стискує їх до тиску конденсації і направляє в конденсатор 9, де відбувається передача теплоти конденсації, яка витрачається на нагрівання води. Нагріта вода з конденсатора 9 направляється в опалювальні прилади 12 насосом 11 контуру теплового споживача.

Встановлено, що в результаті використання запропонованої схеми опалення та водопостачання, у зрівнянні з відомими схемами, ресурс роботи випарника, найбільш коштовного апарата теплового насосу (ТН), збільшується в декілька разів. Вказане призводить до зберігання високого коефіцієнта теплопередачі випарника і надійності роботи всієї теплонасосної установки (ТНУ), а використання очищеної води ще більше підвищує економічну ефективність системи.

Для запропонованої комбінованої системи альтернативного теплопостачання розроблена методика та алгоритм розрахунку випарника. Результати числового моделювання підтвердили можливість та ефективність забезпечення споживачів одночасно опаленням та питною водою.

Об'ємна витрата ґрунтової води зі свердловини:

Vв = (H02 - h02)· f /[ln(R/r0)], м3/с

де R=3000(H0 - h0)·f -2 - відстань від осі вирви, де природний рівень H0 ґрунтових вод практично не зменьшується, м; f=10-5;0,5·10-5; 10-6 - коефіцієнти фільтрації, які залежать від типу ґрунту; h0 та r0 - глибина та радіус бурової свердловини, відповідно, м.

Теплова потужність, яка відводиться від ґрунтової води в випарнику ТН:

Q = Gв·ср·t, кВт

де Gв = Vв · св - масова витрата ґрунтової води, кг/с; св - густина ґрунтової води, кг/м3;

ср - теплоємність ґрунтової води, кДж/(кг·К); t - припустима величина охолодження води в випарнику (приймається tв = tввх - tввых = 14 - 4 = 10 0С); tввх , tввых - температура ґрунтової води на вході і виході з випарника, відповідно, оС.

Температура фреону в випарнику ТН визначається з рівняння:

Е = Св(tввх - tввых)/Сmin (tввх - t0),

де E - термодинамічна ефективність, яка враховує співвідношення фактичного теплового потоку в реальному теплообміннику і максимально можливого теплового потоку, обмеженого другим законом термодинаміки, в ідеальному теплообміннику, який в нашому випадку відповідає протиточному випарнику з безкінечно великою витратною теплоємністю фреону, бо його температура в випарнику не змінюється; Св = ср· QВ - витратна теплоємність ґрунтової води; Сmin - менша витратна теплоємність; t0 - температура киплячого фреона в випарнику. З урахуванням того, що для нашого випадку Св = cmin:

E = (tввх - tввых) / (tввх - t0),

звідки: t0 = tввх - (tввх - tввых) / E,

де k = 0,5 кВт/(м2 ·К) - коефіцієнт теплопередачі випарника ТН; E=1-exp[-k·F/(cp·Gв)] - для випарника ТНУ Е = 0,8 з використанням значень k, F, cp, Gв

Розроблена методика дає можливість знайти температуру t0 кипіння холодильного агенту в випарнику ТН і далі графоаналітичним шляхом (рис. 2) встановити необхідну глибину свердловини Н0 (при рівні води h0, що визначає VВ), яка забезпечить необхідну витрату ґрунтової води GВ, виходячи з вимог споживача теплової потужності. На рис. 2 і 3 представлені результати числового моделювання об'ємної витрати ґрунтової води зі свердловини Vв і теплової потужності Q, яка відводиться від ґрунтової води в випарнику в функції коефіцієнта фільтрації f, радіуса r0 і глибини h0 свердловини.

Аналіз результатів числового моделювання показує, що витрата води пропорційна коефіцієнту фільтрації f, вплив радіуса свердловини r0 є незначним. Спостерігається квадратичний характер залежності витрати ґрунтової води від напору z = H0 - h0, що пояснюється ламінарним режимом вільного гравітаційного руху крізь шар ґрунту. Одержані результати дають можливість визначити раціональну глибину бурової свердловини Н0 при достатній її глибині h0, а також кількість свердловин (при обмеженнях по глибині однієї свердловини), виходячи з необхідної споживачу теплової потужності. Наприклад, для величини охолодження ґрунтової води в випарнику t = 10 оС необхідна масова витрата ґрунтової води Gв = 22,8 кг/с.



Рис. 2 Теплова потужність випарника ТН: 1 - r = 0,3 м; 2 - r = 0,15 м; 3 - r = 0,075м

Рис. 3 Об'ємна витрата ґрунтової води: 1 - r = 0,3 м; 2 - r = 0,15 м; 3 - r = 0,075м

Графоаналітичним шляхом, з урахуванням типу ґрунту та радіуса свердловини r, можна визначити необхідну глибину бурової свердловини Н (рис. 3). Наприклад, для суглинку (f = 0,5·10-5), при r = 0,15 м, виявляється, що для підтримання витрати ґрунтової води GвI = 22,8 кг/с необхідна глибина однієї свердловини НI = 110 м. При 2-х свердловинах (GвII = 11,4 кг/с) необхідна глибина НII = 75 м, а для 3-х свердловин (GвIII = 7,6 кг/с) необхідна глибина ще менша НIII = 60 м. В прикладі числового моделювання процесів холодильного агенту R142 одержані такі результати: розрахункова температура кипіння tо = 1,5 0С; визначена температура конденсації tк = 70 0С, що забезпечує підігрів води до 65 0С (рис.4); ККД компресора к = 0,85; СОР = 3,5, витрата фреону Gо= 7,3 кг/с; теплова потужність конденсатора, що передається в контур теплопостачання Gк = 1350 кВт; потужність електродвигуна компресора, що витрачена на стиск Nк = 390 кВт; теплова потужність випарника ТН, що відбирає теплоту ґрунтової води Qо = 960 кВт. Потужність електродвигуна відсмоктуючого насосу NН110=Vв·P110/(1000·к)=30 кВт, де P110 =11·105 Па перепад тиску при глибині Н0I=110 м. В разі використання 3-х бурових свердловин глибиною Н0III = 60 м (рис. 3) сумарна потужність електродвигунів становить 16 кВт. Встановлено, що при використанні декількох менших свердловин можна вдвічі зменшити витрати електроенергії для відсмоктування ґрунтової води.

З урахуванням того, що теплова потужність конденсатора ТН, що передається в контур теплопостачання становить 1350 кВт, кількість квартир (якщо для опалення однієї квартири необхідна теплова потужність ~ 9 кВт), які можуть бути забезпеченні теплотою, становить 150 квартир. Результати досліджень системи децентралізованого тепло-і водопостачання з використанням ґрунтових вод підтверджують енергетичну ефективність та доцільність її вико-ристання.

Рис. 4. Цикл ТНУ

В результаті реалізації запропонованого рішення, ресурс випарника ТН, найбільш коштовного апарата ТН, збільшується в декілька разів, одночасно зберігається високий коефіцієнт теплопередачі і підвищується надійність роботи установки, а використання очищеної питної води підвищує в 2 рази економічну ефективність системи.

У третьому розділі представлені результати теоретичних досліджень та виконано математичне і числове моделювання основних енергетичних характеристик, які впливають на ефективність роботи комбінованих систем централізованого тепло- і водопостачання з використанням скидної теплоти. Виконана оцінка енергетичної ефективності сучасних технологій комбінованого виробництва тепла і електроенергії показала, що резерви енергозбереження містяться в утилізації вторинних джерел енергії для зменшення втрат теплової енергії в навколишнє середовище.

Розроблені теоретичні засади взаємодії теплофікаційної системи з системою опалення і гарячого водопостачання, математичні моделі температурних режимів та виконано аналіз результатів числового моделювання. Запропонована технологія підвищення ефективності теплофікаційної установки за рахунок утилізації скидної теплоти системи опалення (рис. 5).

Рис. 5 Схема теплофікації з утилізацією скидної теплоти системи опалення

Розроблений метод відноситься до систем теплофікації на базі паротурбінних та парогазових установок, які передбачають відбір тепла на теплофікацію. Задача підвищення ефективності теплофікаційної системи вирішується за рахунок того, що на зворотних лініях опалювальної мережі після приладів опалення (ПО) встановлені рекуперативні теплообмінники, підключені до мережі гарячого водопостачання. На лініях гарячого водопостачання між рекуперативними теплообмінниками і приладами гарячого водопостачання (ПГВ) встановлені теплоізольовані акумулятори (АК) гарячої води, що з'єднані циркуляційними насосами з напірними баками, підключеними до ПГВ. Встановлення на зворотних лініях мережі опалення рекуперативних теплообмінників, підключених до мережі гарячого водопостачання, попереджують втрати теплової енергії в навколишнє середовище. Температура живильної води на вході в економайзер парогенератора знижується, що призводить до зниження температури відпрацьованих газів установки і підвищення ККД. Встановлення на лініях мережі гарячого водопостачання між рекуперативними теплообмінниками та приладами гарячого водопостачання теплоізольованих АК забезпечує безперебійність подачі гарячої води споживачам при різних витратах води в часі, що зберігає стабільність роботи рекуперативних теплообмінників з постійною витратою води. Підключення акумуляторів до ПГВ крізь напірні баки за допомогою насосів підвищує надійність системи при обслуговуванні поверхневих багатоквартирних будинків, для яких необхідно використовувати акумулятори великої ємності і під великим тиском.

Практична реалізацію взаємодії теплофікаційної установки та системи опалення і гарячого водопостачання на засадах енергозбереження показана на рис. 5. Газотурбінна установка 1 в результаті згоряння палива в камері згоряння передає механічну енергію першому електрогенератору 2, який виробляє електричну енергію. Одночасно продукти згоряння з ГТУ направляються в парогенератор 3, де відбувається догоряння збиткової кількості кисню повітря. Парогенератор генерує перегріту водяну пару, яка направляється в парову турбіну 4, що має циліндри високого, середнього та низького тиску. Парова турбіна (ПТ) передає механічну енергію обертання крізь з'єднуючий вал другому електрогенератору 5, який виробляє додаткову електричну енергію. Водяна пара, відпрацьована в ПТ, поступає в конденсатор 6. Конденсат після деаератора 7 живильним насосом 8 направляється в парогенератор 3. З циліндра середнього тиску ПТ відбирається частина пари, яка направляється крізь регулюючий вентиль 8 в теплообмінник системи опалення (ТСО) 10, де конденсується з передачею теплоти конденсації на нагрів води для мережі опалення. Конденсат з ТСО10 направляється в ТСО11, де охолоджується з передачею тепла на попередній нагрів води для мережі опалення, далі в деаератор для виведення з нього розчиненого повітря і змішується з конденсатом, що поступає з конденсатора.

Вода, яка підігріта в ТСО10, направляється в колектор 12, звідки розподіляється по теплопунктам для передачі теплоти ПО 14. Зі зворотної лінії ПО вода направляється в рекуперативний теплообмінник 16, де охолоджується за рахунок підігріву вхідної води, що подається для ПГВ. Підігріта вода для гарячого водопостачання направляється з рекуперативного теплообмінника в теплоізольований АК 17, що має дихальний клапан 20, і далі за допомогою циркуляційного насосу 18 в напірний бак 19, що має дихальний клапан 21 і переливну трубу 22 для переливання збиткової води в АК. Ємність АК гарячої води підбирається за умов компенсації нерівномірності витрати води вдень і вночі. Робота циркуляційного насосу регулюється в залежності від рівня води в напірному баці.

Порівняння ефективності традиційної (а) теплофікаційної системи і запропонованого рішення (б) виконано з використанням розрахункових схем (рис. 6, а,б).



Рис. 6 Розрахункові схеми

Для зручності числового аналізу прийнята однакова теплова потужність теплообмінника ТСО10 Q10 = 500 МВт для традиційної та запропонованної схеми. Витрата гріючої пари GП= Q10/r = 226 кг/с, де r - теплота пароутворення при температурі 120 0С. З рівняння теплового балансу для теплообмінників системи опалення (ТСО) 10 та 11:

GП(r + t11К ·ср) = GТ(t10Т + t11Т)ср,

де GТ - витрата води, що нагрівається в ТСО 10 і ТСО11; t10Т, t11Т - нагрів теплоносія в ТСО10 і ТСО11; t11К - охолодження конденсату в ТСО11.

Результати числового моделювання теплових процесів для традиційної схеми (рис. 6, а) при: температурі теплоносія на вході ТСО11 60 0С (з урахуванням втрат теплоти), при температурі конденсату на виході з ТСО11 70 0С, температурі теплоносія 110 0С на виході з ТСО10 та температурі теплоносія 90 0С на вході в ПО (з урахуванням втрат теплоти) показують, що витрата теплоносія G1Т=GП(r+t11К ·ср)/(t10Т+t11Т)ср=2600 кг/с; теплова потужність: Q1Т= G1Т·t14Т· ср = 330 МВт.

Для запропонованого нами рішення при: температурі теплоносія 30 0С на вході в ТСО11 (з урахуванням охолодження теплоносія в рекуперативному теплообміннику 16) витрата буде: G2Т=GП[r+(t11К +t12К)·ср)]/(t10Т+t11Т+t12Т)ср=1720 кг/с, а теплова потужність ПО Q2Т= G2Т·t14Т· ср = 215 МВт. Теплова потужність ПГВ становить (за умов однакової витрати води для опалення та гарячого водопостачання) Q2Г= G2Г·t15Т· ср = 250 МВт. Таким чином, сумарна теплова потужність ПО та ПГВ для запропонованої схеми Q2Т +Q2Г = 465 Мвт, що в Q2Т+Q2Г/Q1Т= 1,4 разів перебільшує потужність традиційної теплофікаційної схеми. Підвищення теплової ефективності запропонованої системи у порівнянні з традиційним рішенням досягається за рахунок більш повного використання теплоти зворотньої лінії опалення, що знижує втрати в навколишнє середовище, зменшує температуру живильної води на вході в економайзер парогенератора та знижує температуру димових газів з парогенератора, підвищуючи ККД системи. Встановлено, що запропонована система раціональної взаємодії теплофікаційної системи та системи опалення і гарячого водопостачання на засадах енергозбереження дозволяє збільшити теплову ефективність на 2 %, що відповідає економії палива, більш ніж на 3 %.

В четвертому розділі наведена методика ексергетичного аналізу та встановлена ексергоекономічна доцільність використання альтернативних систем енергозабезпечення. Результати узагальненого аналізу шести систем (рис.7) теплопостачання з використанням різних джерел енергії наведені в табл. 1.

Рис. 7 Блок-схеми систем з використанням різних джерел енергії

Аналіз результатів показує, що ефективність ТНУ 6 з ґрунтовим модулем декілька перевищує ефективність ТНУ 5 з сонячним колектором (рис. 7), різниця в загальній вартості системи в 3,5 % (табл.1) є незначною і входить в діапазон 4 % похибки, допустимої на проведення технічних розрахунків.

Таблиця 1 Результати розрахунку технічних показників систем

Тип системи	Zк=f(ai), USD/рік	Zе, USD/рік	Z, USD/рік	Порівняння ефективності, %
Система 1	5000	735000	740000	-60
Система 2	5600	304900	310500	-3,5
Система 3	6000	439100	445100	-33
Система 4	42100	565100	607200	- 66
Система 5	76500	225000	301500	- 0,5
Система 6	74800	225000	299800	0

Єдиною альтернативою ТН з використанням відновлювальних джерел може бути бойлер (система 2) на рідкому паливі. Але система 2 програє ТН з СК та ґрунтовим теплообмінником, бо при використанні бойлера необхідні додаткові кошти на забезпечення доставки, накопичення палива та систему пожежної безпеки. Отже, сумарні витрати перебільшать 3,5 % і ТН буде більш ефективним. Ексергоекономічний фактор f за рівнянням для кожної з 6-ти систем з урахуванням розподілу деструкції ексергії ED (табл. 2) в елементах ТНУ та припущенням, що витрати ексергії EL, які викликані різницею температур між поверхнями всіх елементів обладнання і довкіллям відсутні. Аналіз результатів ексергоекономічного аналізу (табл. 3) показує, що система 1 має найменше значення f. Системи 2 і 3 мало відрізняються одна від одної. Система 4 приблизно в 3,6 разів ефективніше систем 2 і 3. Альтернативні системи 5 і 6 найбільш доцільні, бо їх ефективність в 12 - 15 разів перевищує ефективність традиційних систем. На підставі ексергоекономічного аналізу можна зробити висновок, що при прийнятій термодинамічній і економічній моделях систем 1 - 6 (рис. 7), ТН системи з відновлювальними джерелами найбільш ефективні. З урахуванням світової тенденції до збільшення ціни на газове паливо ефективність цих систем буде неухильно зростати.

Таблиця 2 Деструкція ексергії ED в елементах теплонасосної системи

№	Елемент системи	ED, кДж/год	%
1	Ґрунтовий випарник ТН	5 ·104	81,7
2	Конденсатор ТН	3,5·103	5,7
3	Випарник ТН	1,6·103	2,6
4	Компресор ТН	1,1·103	1,8
5	Дросельний вентиль	0,5·104	8,2
	Всього	61,2·103	100

Таблиця 3 Ексергоекономічний фактор f

№ системи	Zк, USD/рік	Zе, USD/рік	f=
Система 1	5000	735000	0,01
Система 2	5600	304900	0,022
Система 3	6000	439100	0,017
Система 4	42100	565100	0,07
Система 5	76500	225000	0,331
Система 6	74800	225000	0,35

В світовій практиці сучасною методикою оцінки економічної та екологічної ефективності альтернативних систем теплопостачання є методика RETScreen, що запропонована Міністерством природних ресурсів Канади та NASO. Аналіз результатів розрахунків з використанням програми RETScreen альтернативної теплонасосної системи енергозабезпечення для умов Одеси показує, що загальні витрати на реалізацію проекту децентралізованої системи альтернативного теплопостачання з використанням ґрунтових вод тепловою потужністю за опалювальний період 26,4 МВтгод становлять 13200 USD. При коефіцієнті емісії двоокису вуглецю tco2 = 0,491 т/ МВтгод зниження емісії двоокису вуглецю становить 7,09 т/рік для одного об'єкту теплопостачання.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

Результати досліджень визначили такі загальні висновки та рекомендації даної дисертаційної роботи:

1. Запропоновано новий метод підвищення ефективності децентралізованого комбінованного тепло- та водопостачання з використанням ґрунтових та скидних вод та виконані теоретичні дослідження альтернативної системи. Встановлені умови, що дозволяють в декілька разів збільшити ресурс випарника ТН, підвищити надійність та економічну ефективність системи протягом експлуатації.

2. Виконано математичне та числове моделювання теплових процесів в елементах теплообмінного обладнання запропонованої децентралізованої теплонасосної системи комбінованого тепло- та водопостачання питною водою на базі скидних та ґрунтових вод, яке дозволило виявити раціональні умови роботи системи, визначити теплофізичні, гідравлічні та геометричні параметри її елементів.

3. Запропоновано метод підвищення ефективності централізованого теплопостачання на базі теплофікаційної системи за рахунок використання скидної теплоти зворотної лінії опалення, який дозволяє збільшити теплову ефективність на 2 %, що відповідає економії палива, більш ніж на 3 %.

4. Виконано математичне та числове моделювання теплових процесів в елементах теплообмінного обладнання запропонованої централізованої теплофікаційної системи, що дозволило виявити раціональні режими роботи, визначити теплофізичні, гідравлічні та геометричні характеристики її елементів.

5. Запропоновані раціональні схеми, конструкції та режими роботи комбінованих систем централізованого та децентралізованого тепло- та водопостачання. На підставі ексергоекономічного аналізу доведено, що альтернативні системи є найбільш ефективними, бо ексергоекономічний фактор цих систем f = 0,35 (у порівнянні з бойлером на рідкому паливі, для якого ексергоекономічний фактор f = 0,022). Визначені загальні витрати і виконана екологічна оцінка від реалізації пропозицій.

Розроблені методики розрахунку, алгоритми і програми числового моделювання теплових процесів в елементах комбінованих теплофікаційних установок централізованого та децентралізованого тепло- та водопостачання і рекомендації для практичного використання.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ОПУБЛІКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Каминский А.В., Мазуренко А.С., Денисова А.Є. Повышение эффективности комбинированного производства тепла и электроэнергии // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2005. - № 6. - С. 19-21.

2. Камінський О.В. Теплонасосна система опалення та водопостачання на базі скидних та ґрунтових вод // Труды Одесского политехнического университета. - 2005. - Вып. 2(24). - C.111-114.

3. Каминский А.В. Способ повышения эффективности комбинированного производства тепла и электроэнергии // Сборник материалов 2-й международной научно-практической конференции “Научный потенціал мира-2005”, г. Днепропетровск, 19-30 сентября 2005.- Технические науки. Энергетика. - Днепропетровск-Белгород-Прага: Изд-во "Наука и образование" (Украина) совмество с ООО, "Руснаучкнига" (Россия) и Publishing House “Education and Science” (Чехия, Прага), 2005. - С. 45 - 47.

4. Каминский А.В. Перспективи використання системи опалення та водопостачання на базі ґрунтових вод // Сборник научных трудов по материалам научно-практической конференции “Научные исследования и их практическое применение”, г.Одесса, 1-15 октября 2005.- Технические науки. Сельское хозяйство. - Одесса: Изд-во "УКРНИИМФ",2005. - С. 32 -34.

5. Каминский А.В., Мазуренко А.С., Денисова А.Є. Підвищення енергетичної ефективності комбінованого виробництва теплової та електричної енергії // Збірник наукових праць Міжнародної науково-технічної конференції „Енергоефективність'2005”, м. Одеса, 14 жовтня 2005.- Додаток до журналу „Холодильна техніка і технології”: Видавництво ДП „Рефпринтінфо”. -2005.- С. 49 -53.

6. Каминский А.В., Денисова А.Є., Мазуренко А.С. Установка тепло- и водоснабжения на базе грунтовых вод // Електротехніка і механіка. - 2006. - № 1. - С. 9 -12.

7. Каминский А.В., Денисова А.Є., Мазуренко А.С. Использование грунтовых вод для отопления и водоснабжения // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2006. - № 4. - С. 3 - 8.

8. Kaminski A.V., Mazurenko A.S., Denysova A.E. Heat pump installation for heat and water supply on base of subsoil water // Х Forum of Power Engineers International Scientific and Technical Conference GRE'2006. - Zeszyty Naukowe Politechnika Opolska. Seria Elektryka, z. 56, № 315/2006, Tom.1, P. 257 -266.

Размещено на Allbest.ru

...