На правах рукописи

ТЕРЕХОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ГРАФИКЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

05.04.02 – тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012 г.

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Шаталов И.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гришин Д.К.

кандидат технических наук Фролов М.Ю.

Ведущая организация: Московский государственный технический университет (МАМИ)

Защита диссертации состоится “ 29 ” февраля 2012 г. в 15 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу:

117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. МиклухоМаклая, Автореферат разослан “_” 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.203.33, кандидат технических наук, профессор Л.В. Виноградов

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

КУ – когенерационная установка, ГТУ – газотурбинная установка, ПТУ – паротурбинная установка, ПГУ – парогазовая установка, ТД – тепловой двигатель, ТНУ – теплонасосная установка, КИТ – коэффициент использования топлива, N e - эффективная мощность, he – эффективный КПД, m – коэффициент преобразования.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рациональное использование топливноэнергетических ресурсов является важнейшей задачей. В связи с этим приоритетным является внедрение в Российской Федерации энергосберегающих технологий на промышленных предприятиях и в коммунальном секторе. Российская тепловая энергетика в настоящее время в основном использует для генерации устаревшие паротурбинные энергоблоки, обладающие низким КПД и в значительной степени выработавшие свой ресурс, и остро нуждается в модернизации и наращивании мощностей.

Наряду со способами повышения экономичности тепловых двигателей за счёт совершенствования их конструкции и повышения параметров рабочей среды (повышение начальной температуры газа, степени повышения давления в компрессоре и др.), эффективным путем более полного использования энергии сжигаемого топлива является утилизация вторичных энергоресурсов, образующихся при работе тепловых двигателей, в том числе и теплоты отработавших газов тепловых двигателей.

Проблеме рационального использования энергии уделяется внимание на государственном уровне. Правительством России утвержден проект энергетической стратегии до 2030 г. В 2009 г. принят федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

Диссертационная работа посвящена проблеме повышения эффективности тепловых двигателей (ТД) для совместного производства электрической и тепловой энергии за счет наиболее полной утилизации их вторичных энергоресурсов, в том числе с применением теплонасосных установок (ТНУ) и выбора оптимальных режимов работы ТД совместно с ТНУ при переменном графике потребления электрической и тепловой мощности.

Также существует проблема оценки эффективности работы тепловых двигателей работающих совместно с теплонасосными установками. Поэтому в работе приведена методика для определения основных параметров ТНУ, работающих в схемах электро- и теплоснабжения отдельного потребителя.

Рассмотрены вопросы совместной работы теплового двигателя и ТНУ при изменении параметров окружающей среды, выполнено экспериментальное исследование влияния работы теплонасосной установки на режимах частичной мощности.

Актуальность работы определяется необходимостью перехода от традиционных источников электро- и теплоснабжения (котельных, ТЭС) к новым на базе когенерационных установок (КУ), а также использованию низкопотенциальных источников энергии с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В качестве таких установок могут выступать КУ на базе ГТУ и ДВС, работающие совместно с ТНУ.

Цель диссертационной работы – повышение эффективности тепловых двигателей (дизеля, ГТУ) при их совместной работе с теплонасосными установками в условиях неравномерного графика потребления электрической и тепловой энергии.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи.

1. Уточнение методики расчета ТНУ с учетом потерь эксергии в ее элементах. На основе расчетно-теоретического анализа оценка значений эксергетических потерь в элементах ТНУ.

2. Анализ работы тепловых двигателей на режимах частичной мощности с различными потребителями мощности (электрогенераторы, центробежные и поршневые компрессоры ТНУ).

3. Уточнение зависимостей для определения основных параметров дизеля и ГТУ на режимах частичной мощности.

4. Разработка методики и программы расчета основных параметров когенерационной установки, включающей ТНУ и работающей при неравномерном графике тепловой и электрической нагрузки.

5. Расчетно-теоретический анализ работы КУ на базе дизеля и ГТУ при децентрализованном энергообеспечении.

6. Экспериментальное исследование работы теплонасосной установки на частичных режимах.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчетно-аналитические методы исследования, в том числе проводилось моделирование режимов работы когенерационной установки на базе дизеля и ГТУ, работающих совместно с ТНУ.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы состоит:

в разработке методики расчёта и получении конкретных количественных результатов по исследованию совместной работы тепловых двигателей (дизель, ГТУ) и ТНУ при неравномерных графиках электрической и тепловой нагрузок;

в разработке методики расчета ТНУ с учетом потерь эксергии в ее элементах;

выполнена доработка экспериментальной установки для исследования ТНУ при различных способах регулирования.

Практическая значимость работы.

1. Показана практическая значимость эксергетического анализа, как одного из наиболее корректных и удобных для определения эффективности сложных, из-за разного по типу оборудования, систем для производства двух или более видов энергии (электрической, тепловой, и т.д.).

2. Уточнена методика эксергетического расчета ТНУ.

3. Даны рекомендации по выбору и применению когенерационных установок с различным типом теплового двигателя (дизель или ГТУ) работающих совместно с ТНУ в условиях неравномерного графика энергопотребления.

4. Программу расчета можно использовать для расчета параметров когенерационной установки и оценки ее эффективности при заданных графиках электрической и тепловой мощности.

5. Модернизированная экспериментальная установка позволяет производить экспериментальные работы с целью уточнения и выявления особенностей работы ТНУ на частичных режимах при различных способах регулирования.

Реализация результатов работы. Результаты проведенного исследования используются при выполнении научно-исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов, в учебном процессе, в том числе при подготовке магистров и аспирантов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях инженерного факультета РУДН, а также на XXI Всероссийской межвузовской конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 11 опубликованных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 155 страницах машинописного текста, включая 73 рисунка и 13 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность более полного использования теплоты сгорания топлива с использованием когенерационных установок на базе тепловых двигателей, повышение экономичности и экологической безопасности тепловых двигателей включением в схему утилизации теплоты их вторичных энергоресурсов тепловых насосов.

В первой главе выполнен обзор литературы, посвящённой вопросам когенерации. Обоснованы и поставлены цель и задачи исследования.

Когенерация – это совместное производство тепловой и электрической энергии, в одной установке. Рассмотрены различные виды когенерационных установок в зависимости от типа теплового двигателя. Рассмотрена когенерация на базе установок с ДВС, паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установок. В России широко распространены паротурбинные установки и значительное количество электроэнергии и теплоты вырабатывается в комбинированном цикле теплофикационными турбинами ТЭЦ. Однако, при высоких значениях эффективности ДВС, а также при значительном росте технико-экономических показателей ГТУ за последнее время весьма перспективным представляется применение именно этих технологий для комбинированной выработки, тем более – в условиях децентрализованного энергоснабжения. Этому направлению уделяется большое внимание за рубежом.

комбинированной выработки электричества и теплоты в 2,4 раза.

Правительство этой страны стало инициатором принятия закона о содействии развитию когенерирующих (теплофикационных) мощностей и закона об экологическом налоге, которым предусмотрено освобождение от этого налога электроэнергии, произведенной на КУ.

Особенностью электрической и частично тепловой энергии состоит в том, что ее нужно производить в данный момент столько, сколько это необходимо потребителю. Вопросы аккумулирования электрической и тепловой энергии еще далеки от своего решения. Графики потребления энергии имеют весьма неравномерный характер по времени суток, по дням, неделям. Особенно велики сезонные отклонения от средних по году.

Суточный график электрической нагрузки принято делить на три зоны:

базовую, полупиковую и пиковую (рис. 1). Здесь: a – коэффициент неравномерности (отношение минимальной нагрузки к максимальной), b – коэффициент плотности (отношение средней нагрузки к максимальной).

Рис. 1. Основные зоны графика электрической нагрузки:

1 – минимальная нагрузка, 2 – средняя нагрузка Рис. 2. Потребление тепловой энергии Потребление тепловой энергии неравномерно в течение суток, дней недели и в особенности велики отклонения сезонные. На рис. 2 представлен график потребления тепловой энергии для средней полосы европейской части России в зависимости от температуры наружного воздуха. При температуре t н.в. выше +10 °C потребность в теплоте (на горячее водоснабжение – Q быт ) составляет лишь 15 – 20 % от максимальной.

При централизованном энергообеспечении всякая энергосистема должна располагать широким спектром энергетического оборудования для работы в части графика. Однако это практически невозможно. Для покрытия пиковых нагрузок применяются высокоманевренное оборудование, обладающее зачастую меньшей экономичностью. Поэтому оборудование эксплуатируется на режимах частичной мощности, где его эффективность заметно снижается.

Для децентрализованного энергообеспечения, где чаще всего используются когенерационные установки, эта проблема еще более усложняется. Одним из реальных способов выхода из этой ситуации может быть использование ТНУ в схемах с когенерационными установками на базе тепловых двигателей. В этом случае появляется возможность для использования теплового двигателя на экономичном режиме (номинальной мощности), а излишки электроэнергии в ночные часы используются для привода теплонасосной установки.

Тепловые насосы широко используются в различных отраслях, в том числе для теплоснабжения. Доля при теплоснабжении, обеспечиваемая ТНУ в США составляет 37 %, Австрии и Швеции – более 50 %. В США эксплуатируются более 5 млн. ТНУ, общей мощностью 5 ГВт. Наибольшее распространение получили парокомпрессионные ТНУ.

На рис. 3 представлена схема парокомпрессионной теплонасосной установки и ее термодинамический цикл (рис. 4). ТНУ осуществляет передачу внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с более высокой температурой. Энергоносители, поставляющие тепловую энергию низкого потенциала Q 0 для осуществления теплонасосного цикла, называют источниками низкопотенциальной теплоты (ИНТ).

Рис. 3. Схема парокомпрессионной ТНУ Рис. 4. Термодинамический цикл КМ – компрессор, К – конденсатор, парокомпрессионной ТНУ в lg(P), i И – испаритель, РВ – регулирующий диаграмме вентиль, ЭД – электродвигатель, ИНТ – источник низкопотенциальной теплоты Энергоносители, воспринимающие в теплонасосном цикле энергию повышенного потенциала Q, называют теплопотребителями.

Эффективность работы теплонасосной установки характеризуется отношением тепла Q, полученного теплопотребителем, к потребленной ТНУ электрической мощности N пр. Данную величину называют коэффициентом преобразования ТНУ: m = Q N пр. Значение m всегда больше единицы;

применение ТНУ эффективно при выполнении условия m 3,5 (в случае использования электропривода).

В работе рассмотрены области применения ТНУ и факторы сдерживающие их еще большое распространение. Одним из таких факторов является отсутствие подходящих рабочих агентов, которые с одной стороны удовлетворяли экологическим требованиям (Киотское и Монреальское соглашения), а с другой стороны обладали высокими термодинамическими свойствами. Второй фактор связан с низкими температурами теплоносителя на выходе из ТНУ, недостаточными для непосредственного применения в промышленности и для целей теплоснабжения. В первом случае ведутся исследования по созданию новых альтернативных рабочих агентов. Вторая проблема может быть решена за счет применения ТНУ с другими дополнительными источниками для производства теплоты, например тепловыми двигателями с утилизацией их вторичных энергоресурсов.

В нашей стране развитию ТНУ уделяется недостаточное внимание, несмотря на ряд важных решений по развитию энергоэффективности в экономике (ФЗ № 261 и др.).

В работе приводятся технические характеристики ТНУ, выпускаемых в России. Внедрению современных схем энергообеспечения на базе КУ с ТНУ тормозит также недостаточные технические проработки конкретных схем, эксплуатация ТНУ на режимах частичной мощности и др.

Во второй главе проведёно уточнение методики расчета ТНУ эксергетическим методом. В отличие от общепринятой методики, где определяется суммарный эксергетический КПД, в предлагаемой методике определяются потери эксергии в каждом из элементов ТНУ: компрессоре, конденсаторе, охладителе, дросселе, испарителе. Такой подход позволяет наиболее точно определить эффективность каждого элемента, подобрать оптимальные для его работы и установки в целом параметры и схему. Такой расчет может служить хорошей основой для дальнейшего техникоэкономического анализа. Эксергетический подход изначально учитывает качество различных по типу энергии потоков, позволяет рассматривать эффективность каждого элемента по входящей и выходящей из него эксергии, в этом случае можно (если в этом нет необходимости) не уточнять какой характер представляют эти потери (механические, тепловые, и.т.д.) По предложенной методике был выполнен эксергетический анализ работы парокомпрессионной ТНУ с поршневым компрессором. По результатам расчета было выявлено, что наибольшие потери эксергии имеют место в компрессоре (около 20 % от подведенной к установке эксергии). Предложены зависимости для определения параметров поршневого компрессора на режимах частичной мощности.

Работа поршневого компрессора зависит от режима работы теплонасосной установки. Регулирование производительности ТНУ может производиться уменьшением давления на выходе из компрессора p к, либо за счет снижения проходного сечения дросселя, либо перепуском рабочего тела.

При этом уменьшается степень повышения давления p к = p к p в, где p в – давление на входе в насос. Другой способ регулирования – уменьшение частоты вращения компрессора n к, т.к. расход рабочего тела G пропорционален этой величине.

При уменьшении теплового потока от холодного источника к испарителю ТН увеличивается давление p в и температура Tв на входе в компрессор. Кроме того, уменьшается сухость x рабочего тела, газ становится влажным, а его показатель адиабаты k = C p C u снижается ( C p – теплоемкость при постоянном давлении, C u – та же величина при постоянном объеме).

В работе предложена методика определения параметров поршневого компрессора на частичных режимах (в зависимости от p к ).

Рис. 5. Зависимость мощности N к и N i, адиабатической работы L i ад, расхода рабочего тела G, коэффициента подачи l, внутреннего hi и механического hм КПД компрессора от степени повышения давления Зависимость параметров поршневого компрессора от степени повышения давления p к представлена на рис. 5.

При этом мощность компрессора N к определялась по выражению где Vh – рабочий объем цилиндра, r – плотность рабочего тела на входе в цилиндр, z = hк l = 1,05 1,15, l – коэффициент подачи, hк – внутренний КПД компрессора.

Обработка результатов испытаний компрессора позволила предложить следующую эмпирическую зависимость для l где l max = 0,9 – 0,95; a = 0,05– 0,10.

Величина механических потерь в компрессоре ТНУ в сильной степени влияет на затрачиваемую на его привод мощность N к. Предлагается определять механический КПД компрессора hм на режимах частичной мощности по выражению где индексом «0» обозначены параметры номинального (расчетного) режима. В соответствии с этим выражением, зависимость механического КПД от внутренней мощности компрессора выглядит так, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость механического КПД поршневого компрессора от мощности эффективный КПД he (удельный расход топлива g e ), среднее эффективное давление p e, частота вращения n, температура отработавших газов t r и ряд других. Кроме эффективных параметров, большое значение имеют индикаторные параметры – индикаторный КПД hi, среднее индикаторное давление Pi, индикаторная мощность N i. В работе рассмотрено изменение этих параметров на режимах частичной мощности. Тепловые двигатели значительную часть времени работают в нерасчетных режимах.

Так при уменьшении мощности одновальной ГТУ вдвое эффективный КПД падает на 25 %, а при N e = 0,2 величина he уменьшится почти в 2 раза.

Для двухвальной ГТУ это снижение составляет 20 %. Для дизельного двигателя это снижение значительно меньше. Так при уменьшении мощности при n = const эффективный КПД сначала несколько возрастает, а затем падает. Это падение связано, главным образом, со снижением механического КПД дизеля, происходящего при снижении N e.

Эффективность ГТУ на частичных режимах падает более сильно по сравнению с дизельным двигателем. В работе предложена методика расчета ГТУ на частичных режимах с использованием обобщенных характеристик осевого компрессора, разработанных проф. Р.М. Федоровым.

По предлагаемой методике были выполнены расчеты для одновальной ГТУ SGT-800 фирмы Siemens при n = const, работающей в составе ПГУ на предприятиях ОАО «Мосэнерго». ГТУ имеет 15-ти ступенчатый осевой компрессор с поворотными спрямляющими аппаратами первых 3-ч ступеней и двумя перепусками воздуха. У трехступенчатой турбины охлаждаются воздухом лопатки первых двух ступеней. Основные данные ГТУ SGT-800:

мощность – 45 МВт, частота вращения компрессора и силовой турбины – и 1500 мин -1, температура газа перед турбиной – 1523 K, температура газа на выходе – 811 K, расход газа – 130 кг/с.

Рис. 7. Сравнение экспериментальной 1) и расчетной 2) зависимости КПД ГТУ SGT-800 от мощности при На рис. 7 представлена нагрузочная характеристика газовой турбины Siemens SGT – 800 данная производителем и характеристика, полученная в результате расчета для одновальной ГТУ с аналогичными параметрами.

Кроме показателей эффективности для ДВС и ГТУ с утилизацией тепла очень важно знать температуру и расход ОГ, т.к. эти величины определяют возможное количество утилизируемой теплоты.

турбокомпрессора определялась по выражению где t в – температура на входе в компрессор; q w, q м, q ох – относительное количество теплоты, отдаваемое дизелем в охлаждающую воду, масло и получаемое в охладителе наддувочного воздуха, a – коэффициент избытка воздуха, j – коэффициент продувки. L 0 – cтехиометрический коэффициент, Cpв и C pг – теплоемкость воздуха и газов при постоянном давлении.

Рис. 8. Зависимость температуры ОГ дизеля М-756 от суммарного коэффициента избытка a c = 1,8.

воздуха В четвёртой главе рассмотрена работа тепловых двигателей в схемах энергообеспечения отдельного потребителя в условиях неравномерного графика электрической нагрузки. Проведен расчетный анализ энергообеспечения с двумя типами когенерационных установок: на базе дизельного двигателя и ГТУ.

Проведено сравнение двух вариантов использования КУ. В первом варианте тепловой двигатель вырабатывает электрическую мощность в соответствии с графиком N e = f (t) (рис. 9), и работает значительную часть времени на частичных режимах. Теплота ОГ используется для подогрева сетевой воды, идущей к теплопотребителю. Схема такой КУ на базе ГТУ представлена на рис. 10.

Рис. 9. График потребления Рис. 10. Теплофикационная ГТУ:

электрической мощности в зависимости ГВТО – газоводяной теплообменник, КС – Во втором варианте КУ используется совместно с ТНУ для получения дополнительной тепловой мощности.

Такая КУ на базе дизельного двигателя с включением в схему ТНУ представлена на рис. 11.

Схема включает в себя дизель-генератор, ТНУ, теплообменник охлаждающей жидкости, газоводяной теплообменник, пиковый водогрейный котел.

Основные данные КУ на расчетном режиме. Дизель-генератор:

электрическая мощность – 6000 кВт, часовой расход топлива – 1080 кг/ч, тепловая мощность – 5240 кВт, температура ОГ – 485 °C, эффективный КПД – 0,46. ТНУ: мощность, затрачиваемая на привод компрессора – 2640 кВт, рабочий агент – R-22, коэффициент преобразования – 3,9.

В этой схеме дизель-генератор все время работает на номинальной мощности, ТНУ работает с 22 часов до 16 в часы минимального потребления электрической энергии (в ночное время). Так как ТНУ имеет привод от электродвигателя, то все избытки электрической энергии идут на привод ее компрессора.

Результаты проведенных расчетов представлены на рис. 12 и 13. Как следует из рис. 12 при значении эффективного КПД дизельного двигателя 46% утилизация его ВЭР дает возможность получить максимальный коэффициент использования топлива 89,2 %.

Рис. 11. Схема энергообеспечения отдельного потребителя на базе дизеля, работающего совместно с ТНУ:

ГВТО – газоводяной теплообменник, ТОЖ – теплообменник охлаждающей жидкости, Эл. Г – генератор, Эл. Д – электродвигатель, Км – компрессор, К – конденсатор ТНУ, И – испаритель ТНУ, РВ – регулирующий вентиль ТН, ИНТ – источник низкопотенциальной теплоты, ПВК – пиковый водогрейный котел Причем экономичность дизеля не изменяется в течение суток. В случае использования КУ на базе дизеля с ТНУ максимальный КИТ достигает 1,4, т.е.

применение ТНУ увеличивает КИТ в 1,58 раза.

Рис. 12. Зависимость коэффициента использования топлива дизельного двигателя от времени:

----- без использования ТНУ, ––– с использованием ТНУ Рис. 13. Количество полученной тепловой мощности от времени суток:

Qтну – тепловая мощность ТНУ, Q w и Qг – тепловая мощность, полученная за счет утилизации теплоты охлаждающей жидкости и отработавших газов дизельного двигателя Расчеты показали, что в когенерационной установке на базе ГТУ можно получить более высокий КИТ в течение суток. Включение ТНУ в схему КУ на базе ГТУ позволяет увеличить коэффициент использования топлива на 16– Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию работы ТНУ на частичных режимах.

Исследование работы ТНУ было проведено в виде двух серий экспериментов. В первом случае изменялась частота вращения компрессора (1) с помощью частотного преобразователя, во втором случае производительность ТНУ изменялась путем открытия или закрытия регулирующего вентиля (5). В каждой серии экспериментов температура НПИТ на входе в испаритель (6) и теплопотребителя на входе в конденсатор (3) поддерживалась постоянной.

В ходе эксперимента измерялись: барометрическое давление – образцовый манометр с ценой деления 1000 Па, температура воздуха – ртутным термометром, расходы воды через испаритель и конденсатор измерялись объемным способом с помощью мерных бачков (8), а также дополнительно расходомерными устройствами.

Температуры воды на входе и выходе из испарителя; на входе и выходе из конденсатора измерялись предварительно протарированными термометрами сопротивления, мощность, потребляемая компрессором – ваттметром, давление рабочего агента перед компрессором и за компрессором, температуры рабочего агента в характерных точках цикла – термометрами сопротивления и пленочными термодатчиками. В качестве рабочего агента применялся фреон R142b.

Рис. 14. Схема экспериментальной установки:

1 – компрессор; 2 – электродвигатель;

3 – конденсатор; 4 – смесительные устройства; 5 – дросселирующее устройство; увеличивается на с 2,3 до 4.

7 – ваттметр; 8 – мерные бачки; является количество затраченной увеличением p к мощность затраченная на привод компрессора постоянно увеличивается (рис. 16). Так при увеличении p к с 1,5 до 3 мощность увеличивается на 25 %. Эти данные хорошо согласуются с данными во второй главе.

Рис. 15. Зависимость коэффициента Рис. 16. Зависимость мощности преобразования m от степени повышения компрессора от степени повышения давления p к Полученная в ходе эксперимента и определённая расчётным путём зависимости потребляемой компрессором мощности близка к теоретической, может быть аппроксимирована формулой и использоваться для расчета ТНУ.

удовлетворительное; отклонение экспериментальных данных от расчётных можно объяснить изменением коэффициента теплоотдачи от оборудования ТНУ в окружающую среду, который при расчёте брался постоянным (по паспортным данным завода-изготовителя).

Полученные результаты подтверждают теоретические зависимости основных параметров поршневого компрессора на частичных режимах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчета когенерационных установок с ТНУ, работающих в условиях неравномерного графика энергопотребления, выполнен расчетный анализ совместной работы дизель-генератора и ГТУ 2. Проведено уточнение методики расчета ТНУ с учетом потерь эксергии в ее элементах. Расчетным путем установлено, что потери эксергии в теплонасосной установке максимальны в компрессоре.

3. Получены зависимости для определения основных параметров поршневого компрессора теплонасосной установки на режимах частичной мощности.

4. При работе на частичных режимах экономичность тепловых двигателей снижается: у ГТУ на 20 – 30 % при уменьшении мощности до 0,3 – 0,4 от номинальной; у дизельного двигателя на 10 – 15 % при уменьшении мощности до 0,2 – 0,3 от номинальной.

5. Расчетным путем показано, что включением ТНУ в схему когенерационных установок с дизелем и ГТУ позволяет существенно увеличить их эффективность в условиях неравномерного графика энергопотребления. Среднесуточный КИТ КУ с дизелем при этом повышается на 24 – 25 % и для КУ с ГТУ – на 16 – 20 %..

6. Работа КУ на базе ТД (дизель, ГТУ) в схемах с ТНУ дает возможность обеспечить максимальный КПД независимо от электрической нагрузки в течение суток.

7. Эксперимент показал, что при работе ТНУ на частичных режимах с уменьшением степени повышения давления ( p к ) коэффициент преобразования растает. С увеличением p к в 2 раза мощность, затрачиваемая на привод компрессора увеличивается на 25 %.

Экспериментальные зависимости m, N к, Qтну от p к согласуются с формулами, предложенными в работе и опытными данными других авторов и могут использоваться при расчете теплонасосных установок.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

а) в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Барский И.А., Шаталов И.К., Данилов Е.В., Терехов Д.В. Сжатие различных рабочих тел в центробежном компрессоре теплового насоса // Вестник Международной академии холода. 2008. № 2. С. 22 – 23.

2. Шаталов И.К., Терехов Д.В., Фролов М.Ю. Влияние рабочего тела на коэффициент преобразования теплового насоса // Вестник Международной академии холода. 2008. № 3. С. 28 – 29.

3. Антипов Ю.А., Барский И.А., Терехов Д.В., Шаталов И.К. Применение осевых компрессоров в холодильных машинах и тепловых насосах // Вестник Международной академии холода. 2009. № 2. С. 22 – 24.

4. Антипов Ю.А., Барский И.А., Шаталов И.К., Терехов Д.В. Улучшение характеристик газотурбинных установок при повышенных температурах воздуха // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Инженерные исследования». 2009. № 2. С. 75 – 79.

5. Барский И.А., Антипов Ю.А., Терехов Д.В., Шаталов И.К. Сравнение экономичности парогазовых установок с котлом-утилизатором и вводом пара в газовую турбину // Тяжелое машиностроение. 2009. № 7. С. 15 – 6. Фролов М.Ю., Шаталов И.К., Антипов Ю.А., Терехов Д.В. Влияние типа рабочего агента на характеристики теплонасосной установки // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Инженерные исследования». 2009. № 2. С. 119 – 123.

7. Барский И.А., Шаталов И.К., Антипов Ю.А., Терехов Д.В. Влияние диффузора за турбиной на мощность и экономичность одновальной газотурбинной установки // Тяжелое машиностроение. 2010. № 6. С. 9 – 8. Шаталов И.К., Антипов Ю.А., Барский И.А., Терехов Д.В. Повышение мощности и экономичности газоперекачивающих агрегатов // Наука и техника в газовой промышленности. 2010. № 3(43). С. 90 – 92.

9. Барский И.А., Антипов Ю.А., Шаталов И.К., Терехов Д.В. Показатели поршневого компрессора теплового насоса на частичных режимах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011. № 1. С. 31 – 33.

10.Данилов Е.В., Терехов Д.В. Сравнение экономичности ГТУ с воздушным и паровым охлаждением горячих деталей // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: Тезисы докладов XXI Всероссийской межвузовской конференции. – Москва: МВТУ, 2008. – C.

11.Данилов Е.В., Терехов Д.В., И.К. Шаталов. Теплофикационная ГТУ с использованием теплового насоса // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: Тезисы докладов XXI Всероссийской межвузовской конференции. – Москва: МВТУ, 2008. – C. 43 – 44.

«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

ПРИ НЕРАВНОМЕРНОМ ГРАФИКЕ ЭНЕРГО ПОТРЕБЛЕНИЯ »

В работе исследуются способы повышения эффективности когенерационных установок на базе тепловых двигателей (дизеля и ГТУ) путем включения в схему теплонасосной установки при неравномерном графике энергопотребления. Показана практическая значимость эксергетического расчета, уточнена методика эксергетического расчета ТНУ. Проведен анализ работы тепловых двигателей на режимах частичной мощности с различными потребителями мощности (электрогенераторы, центробежные и поршневые компрессоры тепловых насосов). Разработана методика и программа расчета когенерационной установки, включающей ТНУ при неравномерном графике тепловой и электрической нагрузке в схеме децентрализованного энергообеспечения. Экспериментально исследована работа ТНУ на частичных режимах.

«EFFICIENCY ENHANCEMENT OF HEAT ENGINES BY USING HEAT

PUMPS AT VARIABLE LOAD CURVES»

The ways of efficiency enhancement of combined heat and power (CHP) units based on heat engines (diesel and gas turbine) by adding heat pump at variable load curves are studied. Relevance of exergy analisis is showed, exergy methodology of heat pump is improved. Work at part load regimes of heat engines with differert power consumers (electric generator, centrifugal and piston compressor of heat pump) is analysed. Methodology and calculation program of CHP unit with heat pump at variable load curves in distributed heating and power supply system are developed. Part load operation of heat pump is studed experimentally.