Учреждение Российской академии наук

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

На правах рукописи

&л

0520115067^

Елистратов Сергей Львович

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

д.т.н., профессор академик РАН Накоряков Владимир Елиферьевич Новосибирск - СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ Глава 1. Состояние проблемы и определение задач исследования 1.1. Повышение роли ТН в решении задач энергосбережения и охраны окружающей среды 1.1.1. Общая характеристика эффективности теплоснабжения 1.1.2. Актуальные направления развития теплоснабжающих систем с тепловыми насосами 1.1.3. Оценка ресурсного потенциала возобновляемых источников и проблем его практического использования 1.2. Общая характеристика традиционных и перспективных ТН.. 1.3. Актуальные проблемы внедрения ТН в России 1.4. Подходы к оценке эффективности ТН и систем на их основе 1.5. Актуальные научные проблемы и направления исследований 1.5.1. Рабочие тела 1.5.2. Проблема «горячего дросселирования» 1.5.3. Схемные решения для теплоснабжения в России... 1.5.4. Многоступенчатые абсорбционные машины... 1.6. Постановка задач исследования Глава 2. Сравнительный анализ эффективности теплонасосных систем на основе эксергетического метода 2.1. Оценка места и роли ТН в преобразовании различных по качеству потоков энергии 2.1.1. Функциональные особенности 2.1.2. Идеализированный цикл термотрансформатора 2.1.3. Оценка влияния температурных уровней источников 2.2. Оценка потенциала эксергии первичных энергоресурсов и низкопотенциальных источников тепла 2.3. Особенности эксергетического подхода к анализу термодинамической эффективности систем с ТН 2.3.1. Определение эксергетической эффективности на основе балансовых уравнений 2.3.2. Принцип неэквивалентности эксергии и эксергетических потерь 2.3.3. Эксергетические потоки и потери эксергии при сжигании топлива 2.4. Сравнительный анализ эффективности топливных котлов и АБТН со встроенной топкой 2.4.1. Эксергетические потери при теплоснабжении от водогрейного котла 2.4.2. Сравнительная оценка эксергетической эффективности одноступенчатого АБТН с топкой 2.4.3. Роль многоступенчатой регенерации раствора в повышении термодинамической эффективности АБТН... 2.5. Сравнительная эффективность технологий использования эксергии топлива в теплоснабжении Глава 3. Обоснование направлений повышения термодинамической 3.1. Методики термодинамического и тепловых расчетов 3.2. Оценка внешних и внутренних потерь эксергии 3.3. Оценка собственных и технических потерь эксергии 3.4. Предложения по повышению термодинамической эффективности циклов с одноступенчатым сжатием 3.5. Сравнительный анализ эффективности циклов ПКТН со 3.5.1. Общий анализ цикла со ступенчатым сжатием 3.6. Анализ положительных и отрицательных сторон внешней 3.7. Оценка эффективности регенеративных циклов ПКТН для Глава 4. Простые методы оценки тепломассопереноса для 4.1. Простой метод оценки тепломассопереноса при 4.2. Моделирование стационарного испарения навески жидкости с 4.3. Моделирование нестационарного испарения навески жидкости с примесями в сфероидальном состоянии 4.4. Оценки влияния нерастворимых примесей на испарение 4.5. Оценка влияния растворимых примесей на десорбцию Глава 5. Экспериментальное исследование испарения рабочих тел 5.4. Определение коэффициентов теплоотдачи и толщины парового слоя под испаряющейся навеской жидкости 5.5. Сравнительные исследования испарения навесок воды и 5.6. Испарение однокомпонентных рабочих тел в сфероидальном 5.7. Исследование десорбции водно-солевых растворов 5.8. Рекомендации по интенсификации процессов десорбции 6.2. Сравнительное исследование эффективности работы ПКТН в составе моновалентных и комбинированных теплоисточников 6.3. Обоснование использования АБТН с газовой топкой в 6.4. Разработки импортозамещающих ПКТН нового поколения.. 7.1. Сравнительный анализ теплоносителей низкопотенциального 7.3. ТНУ на базе неочищенных и условно чистых сточных вод 7.5. Схема ТНУ на базе воды с предельно низкими температурами в Байкальском музее ИНЦ СО РАН

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

термодинамическим циклам. Это связано с тем, что энергетическая отрасль, включающая производство тепловых насосов (ТН), в мире непрерывно растет. Параллельно традиционно развивается промышленность холодильных машин (ХМ). Появились устройства, которые одновременно выполняют функции ХМ и ТН. Исследования энергетиков и холодильщиков уже представляют собой единое целое, как работы в области разработки устройств для совместного производства холода и тепла. В ТН, также как и в ХМ, осуществляется перенос тепла от тел и сред с низкой температурой к телам и средам с более высокой температурой. Их энергетическую эффективность оценивают практически одинаково: по относительной величине затрат высококачественной работоспособной энергии к трансформированному количеству тепла.

Однако прямое отождествление этих машин является спорным. Если понятие ХМ у специалистов не вызывает вопросов, то большинство не только обывателей, но и ученых не имеют четкого представления, что такое способствует пониманию современного предназначения этих устройств, получивших широкое развитие во всем мире. Условия конкурирования ТН и их практическая реализация намного более сложные, чем на рынке ХМ.

Связано это с тем, что практически все виды ХМ имеют две одинаковые базовые температуры, отражающие условия и эффективность их применения во всех странах мира и климатических условиях - это температура в помещении, куда производится отвод тепла, и температура, требуемая для охлаждения различных тел и низкотемпературных теплоносителей. В ТН используют более широкий спектр низкопотенциальных теплоносителей природного и техногенного происхождения (воздух, грунт, вода подземных и поверхностных источников, очищенные и неочищенные промышленные и хозяйственно-бытовые стоки и т.п.), которые могут отличаться значительной сезонной нестабильностью и технической доступностью. Уровни температур, на которые производится трансформация тепла для ТН, существенно выше, чем у ХМ и определяются требованиями разнообразных технологий его использования. В таких условиях термодинамическую оценку эффективности реальных машин с обратным циклом трудно провести только на основе идеальных или эквивалентных циклов Карно с привязкой к термодинамической шкале температур. В последнее время возникает понимание того, что эксергетический метод анализа, учитывающий работоспособность различных потоков энергии в привязке к параметрам окружающей среды, гораздо более приемлем для сравнительного анализа действительных циклов. И как минимум, необходимо использовать эти методы совместно.

преимущественно реализуются в двух типах машин: абсорбционного (АТН) и парокомпрессионного типов (ПКТН). Основные теплофизические процессы в ПКТН достаточно хорошо изучены и основное внимание исследователей в настоящее время направлено на исследование новых рабочих тел (неазеатропные смеси, вещества природного происхождения и др.) и циклов на их основе. Изучение физических процессов в аппаратах АТН получило энергичное развитие только в последние 15-20 лет. В центре внимания проведение процессов неизотермической абсорбции и десорбции в условиях, позволяющих существенно повысить эффективность процессов термотрансформации.

Актуальность темы. Эффективное замещение в топливном балансе систем промышленного и гражданского теплоснабжения ископаемых видов топлива (уголь, мазут, природный газ и др.) на практически неисчерпаемые ресурсы низкопотенциального тепла возобновляемых и вторичных источников с использованием ТН является актуальным направлением энергосбережения и охраны окружающей среды. Тепловая мощность действующего в мире парка ТН различного типа оценивается в 250 ГВт с годовой выработкой теплоты 1,0 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. т у. т./год. По прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 году 75% всех систем теплоснабжения в развитых странах будут использовать ТН. В России установленная мощность ТН с конца 80-х гг по н. вр. не превышает 65 МВт, что явно не соответствует потенциальным возможностям применения этой технологии в условиях наметившейся ориентации национальной экономики на энергосбережение и повышение энергоэффективности.

В России практический опыт создания и применения отечественных ТН невелик и, за редким исключением, отражает уровень научных подходов переориентации теплоэнергетического хозяйства страны на развитие теплоснабжения роль ТН возрастает, что требует разработки новых научно обоснованных подходов к их широкому применению в различных областях.

В природно-климатических условиях Сибири, где основным режимом распространенных и доступных поверхностных водных источников или термодинамическая проблема «горячего дросселирования», значительно снижающая эффективность утилизации тепла возобновляемых и вторичных источников. В теории холодильных циклов её решение сводится к введению внутрицикловых процессов регенеративного теплообмена, которые однако имеют принципиальные ограничения и ведут к снижению эффективности работы конденсатора. При этом ряд исследователей (Ю.М. Петин) весьма скептически относится к самой идее применения ПКТН в российских системах отопления. В связи с этим, обоснование новых термодинамических возобновляемых и вторичных источников в условиях больших перепадов температур и давлений в испарителе и конденсаторе, становится актуальной научной проблемой.

промышленности может быть получен при совместной выработке тепла и холода положительных температур на основе перспективных абсорбционных многоступенчатой регенерацией раствора. К разработке трех- и четырех ступенчатых прототипов генераторов со встроенной газовой топкой термодинамическая эффективность циклов с трехступенчатой регенерацией раствора будет на 30% выше, чем с двухступенчатой. Однако разработка этих более совершенных регенеративных циклов сдерживается отсутствием в десорбции водно-солевых растворов при высоких температурах поверхности нагрева, когда возникает кризис теплообмена. В исследованиях В. М.

устойчивым процессом, что может стать принципиальным ограничением для многоступенчатой регенерацией растворов. Не менее важной проблемой для расширения рабочего диапазона работы термокомпрессора в абсорбционных неизотермической абсорбции, в частности за счет турбулизации пленок раствора и развития их межфазной поверхности. Однако для таких задач получение аналитических решений совместного тепломассопереноса на основе решения дифференциальных уравнений, какие были получены В.Е.

Накоряковым и Н.И. Григорьевой, проблематично и требует разработки более простых подходов к оценке их эффективности.

термокомпрессора создает условия для повышения эффективности абсорбционных термотрансформаторов со встроенной топкой, которые по своей энергоэкономичности могут превзойти лучшие образцы машин парокомпрессионного типа.

низкопотенциального тепла и требований потребителей к качеству тепловой энергии обоснование и разработка типовых схем теплонасосных установок (ТНУ), использующих усовершенствованные термодинамические циклы, их апробация на действующих объектах теплоснабжения, в том числе, в условиях сопряжения с традиционными теплоисточниками, являются первым важным шагом по их практическому использованию. Для регионов с относительно мягким климатом некоторые схемы локального применения ПКТН апробированы (Д.В. Васильев, В.Г. Горшков и др.). Однако, этот опыт не показателен и не может стать типовым для других регионов России.

рекреационных зонах, где имеются практически неограниченные запасы природного тепла в виде холодной воды поверхностных и приповерхностных водных источников с температурой 3...5°С и традиционно высоки использования этого неограниченного потенциала природной тепловой энергии для отопления в литературе не нашел отражения и нуждается в дополнительном исследовании и практической апробации его результатов.

Положительный опыт решения этой проблемы в Сибири априори может широко быть использован в других более мягких климатических зонах России.

парокомпрессионного и абсорбционного типов в российских природноклиматических условиях и отсутствием для этого научно-обоснованных подходов по решению вышеупомянутых проблем. Его разрешение предполагает расширение привычной области исследований ТН, применение для обоснования прорывных решений новых теоретических и экспериментальных подходов.

Вышеобозначенные актуальные научно-технические проблемы термодинамического, теплофизического и теплотехнического характера определили в целом комплексный характер настоящего диссертационного исследования.

Цель и задачи исследования. Комплексное исследование эффективности тепловых насосов нового поколения и разработка научно-практических основ их применения с учетом российских природно-климатических условий.

В соответствии с целью исследования были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка эксергетического подхода к анализу эффективности ТН, как термодинамических систем, в которых в процессе преобразования различных по качеству потоков энергии сопрягаются прямой и обратный термодинамические циклы;

разработка способов минимизации термодинамических потерь и повышения эффективности циклов ПКТН в условиях больших перепадов температур в испарителе и конденсаторе;

разработка методов оценки и интенсификации тепломассообмена применительно к процессам неизотермической абсорбции и десорбции в основных аппаратах АБТН нового поколения;

проведение сравнительных экспериментальных исследований по изучению неизотермической десорбции навесок водно-солевых растворов применительно к разработке высокотемпературных генераторов для АБТН со встроенной топкой и многоступенчатой регенерацией раствора;

- разработка импортозамещающих ПКТН нового поколения для утилизации возобновляемого тепла природных водных источников и проведение их апробации в условиях рекреационных зон Сибири;

- определение условий и границ энергоэффективного сопряжении ТНУ и традиционных энерго- и теплоисточников;

- разработка и апробация в природно-климатических условиях Сибири комплекса эффективных схем ТНУ на базе наиболее распространенных и технически доступных возобновляемых и вторичных источников тепла, как практической основы для региональных и отраслевых программ энерго- и ресурсосбережения.

Научная новизна. Новизна полученных результатов состоит в следующем:

- развит эксергетический подход к исследованию теплонасосных систем, учитывающий их системные связи с внешним окружением, позволивший на их основе предложить новые решения по повышению термодинамической эффективности рабочих циклов ТН для широкого диапазона изменения рабочих параметров;

обоснован подход по минимизации термодинамических потерь от «горячего дросселирования» в ПКТН, основанный на использовании процессов внутрицикловой и внешней регенерации «тепловых стоков»

рабочих циклов;

- предложен новый метод оценки влияния неизотермичности на процессы массопереноса при абсорбции и десорбции, отличающийся широкими возможностями для анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований;

сфероидальном состоянии, позволившая оценить влияние нерастворимых и растворимых примесей на устойчивость кризиса теплообмена;

- разработан комплекс новых экспериментальных методик для изучения процессов испарения (десорбции) навесок однокомпонентных жидкостей, растворов и смесей в сфероидальном состоянии, позволивший на основании прямых измерений их текущего веса установить количественные зависимости тепло -и массопереноса при кризисных и переходных режимах теплообмена;

впервые получены экспериментальные данные по десорбции навесок водно-солевых растворов в сфероидальном состоянии в широких диапазонах концентраций и температур греющей поверхности, позволившие количественно установить закономерности нарастания неустойчивости пленочного режима испарения с ростом относительной концентрации соли;

- развит подход к оценке эффективности комбинированных теплоисточников на базе ТН, позволивший предложить варианты их оптимальной структуры;

адаптированные к экстремальным условиям работы в сибирских природноклиматических условиях.

Практическая значимость и реализация результатов. Основные «Исследования и разработки СО РАН в области энергоэффективных технологий» (Новосибирск, 2009 г).

Результаты работы стали основой для совершенствования ПКТ1Т теплопроизводительностью от 60 до 400 кВт и схем ТНУ, адаптированных к природно-климатическим условиям Сибири, в частности, в рекреационной зоне Прибайкалья для децентрализованного отопления здания Байкальского возобновляемого тепла (3...7°С) воды озера Байкал.

Рекомендации доведены до практической реализации при разработке и создании в течение 2002-2009 гг теплонасосных теплоисточников на промышленных объектах в различных городах и населенных пунктах сибирского региона (Новосибирск, Барнаул, Горно-Алтайск, Новокузнецк, Мирный, поселки в Новосибирской и Иркутской областях).

На базе ОАО «Машзавод» (г. Чита, 2009 г) результаты исследования были использованы при разработке прототипа серийного образца импортозамещающего ПКТН номинальной теплопроизводительностью кВт, а также других термотрансформаторов, предназначенных для создания экологически чистых систем отопления в природно-климатических условиях Сибири.

Рекомендации и прикладные результаты исследования использованы теплофикации и водоснабжения в западных районах Новосибирской области (отчет ОАО «Новосибирскгеология», 2003 г, № госрегистрации 22-02-19/1), совместной программы Администрации Забайкальского края и Сибирского отделения РАН «Научное и технологическое обеспечение социальноэкономического развития Забайкальского края в 2010-2014 годах» (Чита, 2009г) по направлениям «Энергосберегающие технологии и возобновляемые источники энергии» и «Машиностроение».

«Инновационные производственные технологии» (Новосибирск, НГТУ Югг), «Современное тепловое оборудование предприятий и энергетический институт повышения квалификации» - 2009,20 Юг).

Достоверность полученных результатов подтверждается их сравнительным методологическую основу, а также их широкой апробацией.

Для термодинамического анализа циклов ТН и их совершенствования был использован эксергетический метод, универсальный для исследования прямых и обратных циклов, взаимных превращений энергий различного вида.

обеспечивалась применением аттестованных измерительных устройств, апробированных и оригинальных авторских методик исследования, повторяемостью результатов.

Правомерность приближенных теоретических оценок подтверждалась путем сравнения с известными аналитическими решениями других авторов.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также представлена общая структура диссертационной работы.

В первой главе выполнен общий обзор и критический анализ современного состояния и перспектив развития ТН в мире и в России, показана специфика их использования в российских природно-климатических условиях, определены мировые тенденции развития и области перспективных научных исследований, сформулированы решаемые актуальные научные проблемы и определены задачи исследования.

термодинамической эффективности ТН как специфической системы, в которой в процессе преобразования различных по энергетической ценности потоков энергии сопрягаются прямой и обратный термодинамические циклы.

Оценена эффективность различных типов ТН в зависимости от места, условий сопряжения и особенностей обратных термодинамических циклов.

Третья глава посвящена эксергетическому анализу и обоснованию действительных циклов ПКТН по утилизации тепла возобновляемых источников с исходно низкой температурой. Приведен пример расчета термодинамические циклы с процессами внешней и внутренней регенерации тепла, обеспечивающие эффективное сопряжение обратных циклов с источниками низкопотенциального тепла.

В четвертой главе выполнены оценки возможностей расширения диапазона нестационарного испарения жидкости в сфероидальном состоянии, учитывающая наличие растворимых и нерастворимых примесей. Показана принципиальная возможность смены пленочного режима кипения на пузырьковый в высокотемпературных генераторах АБТН.

Пятая глава содержит подробное описание авторских методик и новых результатов исследования по сравнительной динамике динамике испарения навесок чистых жидкостей и водно-солевых растворов на горизонтальной поверхности нагрева. Предложен новый тип высокотемпературного генератора для работы в условиях субкризисного кипения.

эффективности теплонасосных и традиционных теплоисточников. Показаны новые возможности теплонасосных технологий в централизованном теплоснабжении.

В седьмой главе представлены целостным пакетом апробированные в природно-климатических условиях Сибири схемы ТНУ мощностью от 60 до потенциал практического внедрения в российских природно-климатических условиях.

В заключении дана общая характеристика итогов работы и представлены основные выводы по результатам диссертации.

показателей энергетической эффективности сравнительной экологоэкономической эффективности теплонасосных систем, а также материалы, подтверждающие практическое внедрение результатов настоящего исследования.

Личный вклад. Автором выполнены анализ литературных источников и экспериментальные методики, получены экспериментальные данные и произведена их обработка, сформулированы выводы по работе; при непосредственном участии разработаны ТН, схемы ТНУ и произведена их апробация. Соискатель являлся ответственным исполнителем исследовательских проектов и программ по тематике диссертационной работы. Научная проблематика исследования разрабатывалась при участии научного консультанта - академика РАН В. Е. Накорякова, которому диссертант благодарен за формирование комплексного подхода к изучению темы и всестороннюю поддержку при апробации результатов.

Положения, выносимые на защиту:

- методы, критерии и результаты комплексного анализа эффективности ТН;

- методики и результаты экспериментального исследования испарения однокомпонентных жидкостей и водно-солевых растворов в сфероидальном состоянии;

- методологические подходы по оценке совместно протекающих процессов тепломассопереноса в аппаратах АБТН;

схемы ТНУ, адаптированные к природно-климатическим условиям Сибири;

теплоисточников на их основе.

Связь с научными и целевыми программами.

Работа выполнена при поддержке целевых программ и научных школ:

- Научной школы академика В. Е. Накорякова НШ-8888.2010.8 «Процессы тепло - и массопереноса в энергетических и энергосберегающих установках»;

- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013гг» (гос. контракт № 02.740.11.0054) по теме «Исследования термодинамических процессов и тепломассообмена в аппаратах низкотемпературной и водородной энергетики»;

- Программы «Энергосбережение СО РАН» в 2000-2008 гг;

- Программы импортозамещения СО РАН, 2009 г;

- Программы экспедиционных работ СО РАН в 2006-2007 гг;

- Целевой программы «Внедрение тепловых насосов на объектах ТЭК Новосибирской области в 1999-2002 гг»

Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы были апробированы на 22 семинарах и конференциях, в том числе: на Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005г), на Семинарах ВУЗов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (Владивосток, 2005 г; Иркутск, 2007 г; Красноярск, 2009г), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2007, 2008 г), на международном круглом столе «Энерго- и ресурсосбережение в XXI веке» пленарный доклад (Новосибирск, 2007 г), на Всероссийской научнопрактической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007 г), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Екатеринбург, 2007г), на международных научно-практических конференциях «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2006, 2007 г), «Обеспечение безопасности питьевого водоснабжения и водоотведения»

(Новосибирск, 2006 г), «Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов сибирского региона» (Новосибирск, 2006 г), «Обеспечение экологической безопасности систем водоснабжения и водоотведения Новосибирска и городов сибирского региона» (Новосибирск, 2008 г), «Современные технологии обеспечения надежности систем водоснабжения и водоотведения» (Новосибирск, 2005 г), на международном семинаре «Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в сибирском регионе» (Новосибирск, 1997 г), на международном симпозиуме «Ресурсо -и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» (Новосибирск, 2005 г), на международном конгрессе «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве»

(Новосибирск, 2004 г), на конференции «Перспективы развития малой энергетики в Алтайском крае» (Бийск, 2005 г).

семинарах по подведению итогов целевой программы «Энергосбережение СО РАН» (Новосибирск, 2005-2008 гг), семинаре кафедры технической теплофизики НГТУ (20 Юг), семинарах лаборатории процессов переноса и отдела технической теплофизики Института теплофизики им. С.С.

Кутателадзе СО РАН (20 Юг), в Институте систем энергетики им. Л. А.

Мелентьева СО РАН (2009г), на заседаниях Ученого совета Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в период обучения диссертанта в очной докторантуре по специальности 01.04.14 -теплофизика и теоретическая теплотехника.

Публикации. По теме работы опубликовано 29 научных работ, в том числе одна монография, 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 2 статьи в общетехнических журналах, публикаций в сборниках материалов и трудах конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных литературных источников из наименований, приложения, содержащего справки и информационные материалы, характеризующие практическое внедрение результатов исследования. Диссертация содержит 292 страницы основного текста, рисунков, 22 таблицы.

процессов переноса, отдела технической теплофизики, членам Ученого совета Института теплофизики им. Кутателадзе СО РАН за оказанную помощь в обсуждении и анализе полученных результатов.

Состояние проблемы и определение задач исследования 1.1 Повышение роли ТН в решении задач энергосбережения и охраны окружающей среды 1.1.1 Общая характеристика эффективности теплоснабжения С принятием нового закона об энергосбережении [312] возрос интерес к использованию энергии возобновляемых и вторичных источников, в том числе, в такой жизненно важной отрасли как теплоснабжение.

В России производство тепловой энергии с годовом объемом 2000млн. Гкал обеспечивается широким спектром теплоисточников различной единичной мощности и эффективности, потребляющих 400- млн. т у.т ископаемых видов топлива, в т.ч. 240 млн. т у.т. природного газа и 100 млн. т у.т. угля. Это 40% от всех используемых в стране энергоресурсов.

В тепловом хозяйстве России действует около 500 ТЭЦ различной мощности, порядка 6 тыс. крупных, 180 тыс. мелких и 600 тыс. местных котельных, обеспечивающих потребителей теплом по сетям протяженностью 250 тыс.

км [66, 281, 333]. Основные сведения представлены в таблицах 1 и 2.

Основные характеристики городского теплоэнергетического хозяйства России [281].

Структура производства тепловой энергии теплоисточниками России [281].

в том числе:

в том числе:

теплоснабжение 72 % потребителей тепла в городах с населением свыше тыс. жителей, в которых проживает около половины всего городского населения страны. При этом теплопотери в сетях, главным образом, разветвленных централизованных систем теплоснабжения, как минимум, превышают 20% от суммарной выработки, тепловой энергии всеми источниками [20,68,192]. Наиболее эффективным источником тепловой комбинированный цикл производства тепловой и электрической энергии [15,66,74,89,139,141,163, 181,182,216,226,227,256,291,301,318,319,331,333 и др.]. Применение ТЭЦ обеспечивает экономию топлива не менее 20...25% по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на обычной электростанции и тепловой энергии на крупной котельной. Несмотря на высокую изношенность оборудования, на современных ТЭЦ степень механического и химического недожога топлива существенно меньше, чем на индивидуальных котельных малой мощности. Средний удельный расход топлива на производство тепловой энергии в России равен Ьт— 195 кг у.т./ Гкал и для разных источников изменяется в широких пределах - от 158 до 240 кг у.т./ Гкал и более [281,301]. Расход топлива на квартальных и районных газомазутных котельных с учетом неравномерности загрузки составляет Ът =1вЪ..Л12 кг у.т./ Гкал при коэффициенте их полезного действия rjK= 0,88...0,83. Эффективность работы малых теплоисточников значительно ниже. В ходе экспедиционных исследований нами в отдаленных регионах Алтая и Прибайкалья была выявлена низкая эффективность работы малых угольных котельных: коэффициент их полезного действия находился на уровне г/к = 0,35...0,4.

В настоящее время удельный расход условного топлива 6ЭЛ на отпуск электроэнергии на конденсационных энергоблочных электростанциях по данным РАО «ЕЭС России» [103] составляет: на газомазутных - Ьэл = 327 г у.т./ кВт*ч, на пылеугольных Ъэл ~ 360 г у.т./ кВт*ч, на ТЭЦ Ьэл~ 330 г у.т./кВт*ч, в протяженных сетях ЛЭП теряется до 10% выработанной электроэнергии. Эти показатели существенно хуже, чем в зарубежных энергосистемах [226,227]. Пережог топлива в конечном итоге приводит к увеличению негативного воздействия теплоэнергетических объектов на окружающую среду. Стимулом для положительных структурных изменений в теплоэнергетике может стать увеличение цен на газ и изменение сложившегося соотношения цен на уголь и газ. Это потребует внедрения новых экологически чистых энерготехнологий, основанных на сжигании угля [214, 256, 275], а также применения теплонасосных технологий.

В качестве главных причин высокого потребления ископаемых видов топлива в России можно выделить холодный климат [298], огромные расстояния транспортировки тепла и электроэнергии с сопутствующими субсидирование затрат, вследствие которых ТН не находят широкого практического применения в России. При экспортной цене в последние годы природного газа 40...60$ за тыс. м при экспорте они составляют 240...300$ за тыс. м 3.

Замещение в топливном балансе регионов ископаемых видов топлива на тепло возобновляемых и вторичных источников способно обеспечить не только энергосберегающий, но ощутимый экологический эффект. На основании экспериментально полученных в работе [314] количественных значений вредных выбросов для малых теплоисточников можно показать, что один угольный котел мощностью 1,0 Гкал/ч сжигает в Сибири за отопительный сезон 228 т у.т., что создает в зоне его размещения выбросы загрязняющих веществ: золы ~ 1,4 т; SO2 ~ 2,2 т; N 0 2 ~ 1,7 т; СО ~ 9,1 т;

сажи ~ 3,7 т; ПАУ ~ 23 кг и сильного канцерогена бенз(а)пирена - 1,1 кг.

эффективностью использования топлива, составят ~ 640т СО2.

В связи с обострением эколого-климатических проблем, можно оценить некоторые возможности ТН для смягчения парникового эффекта.

Для практических целей целесообразным представляется сравнение удельных выбросов в расчете на единицу выработанного тепла. Так например, относительное годовое уменьшение расхода топлива и выбросов парниковых газов для ТНУ установленной мощностью 1,0 Гкал/ч со среднегодовым значением (рту = 4,0 при отпуске тепла на отопление в размере 2750 Гкал /год может соответственно составить в сравнении с аналогичными по производительности газовыми котельными (rjK = 0,9) около 38% - 183 т у. т. или 300т С 0 2, а с угольными котельными (//к = 0, 8) почти 45% - 238 т у.т. или 652т С 0 2 для кузнецкого угля и 790т С для канско-ачинского угля. Замена для этих условий работы прямого электронагрева на ТНУ в отрасли городского водоснабжения позволит сократить потребления топлива и выбросов в 4 раза.

На рис. 1.1 представлены наши расчетные данные по выбросам С02 для котельных на угле и газе в сравнении с парокомпрессионными ТНУ [105,123]. Примечательно, что количественные показатели выбросов СОг зависят от вида ископаемого топлива. Газовые котельные создают почти в раза меньше выбросов С02 в атмосферу по сравнению с угольными котельными (см. зависимости 1 и 2 на рис. 2). Это относится и к ТЭС, Рис. 1.1. Удельные выбросы СОг для котельных и ТН с учетом 10% потерь в котельных.

1 - угольная котельная; 2 - газовая котельная; 3 - ТНУ (электроэнергия от ТЭС на угле с удельным расходом 0,334 - 0,410 кг у. т. / кВт*ч); 4 -ТНУ (электроэнергия от ТЭС на газе с удельным расходом 0,334 - 0,410 кг у. т. / кВт*ч) обеспечивающих электроэнергией различные теплоисточники. Вследствие способна привести к значительному снижению выбросов парниковых газов.

Если электроснабжение ТНУ производится от ГЭС и АЭС, то можно считать, что работа ТНУ не сопряжена с выбросами СОг.

В экономических расчетах экологический фактор учитывается через установленные размеры [69,70, 228,257] практически не способны серьезно повлиять на использование экологически грязных теплоисточников малой мощности. Данное положение получило свое подтверждение в ходе наших экспедиционных исследований в рекреационных зонах Прибайкалья и Горного Алтая и отражено в работах [105-107, 123].

1.1.2. Актуальные направления развития теплоснабжающих В качестве одного из основных направлений совершенствования теплоснабжающих систем проявляется тенденция перехода на низкотемпературные системы отопления потребителей с отказом от качественного регулирования (по температуре) отпуска тепла и переходу на количественное регулирование (по расходу) в децентрализованных системах [229,232,242,244,246,276,282], а также работу на наиболее низких по температуре отборах от турбин ТЭЦ и использование в качестве мобильных пиковых догревателей тепловых насосов со снижением температуры теплоснабжения^ 1,13,27,29,30,49,50,55,66,72,87,89,92,93,128,132,134,139,,192,210,212-215, 234,245,246,249,261,297,308,323,329,335,337]. Это позволит устранить исторический антогонизм между централизованным и децентрализованным теплоснабжением. Необходимо также учесть то, что высокая температура отопительных приборов может нанести вред здоровью.Это требует ограничения по санитарным нормам [28,274] максимальных температур подачи теплоносителя до разумных 70...75°С для минимизации вредных выделений от термического разложения органической пыли и полимерных материалов.

Положительную роль для широкого практического использования ТН могут сыграть системные преимущества теплонасосных технологий [74]:

1. Возможность расширения ресурсной базы теплоснабжения, делающие ее менее зависимой от поставок ископаемых топливных ресурсов, что весьма важно в условиях дефицита и растущей стоимости топлива.

теплоснабжения, особенно в часы ночных провалов потребляемой мощности.

теплоснабжения, а переводит ее на более высокий качественный уровень, присущий электроснабжающим системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настоящее время теряется до 20% потребляемой теплоты.

4. Для России, где традиционно в теплоснабжении высока роль ТЭЦ, ТН могут эффективно использоваться непосредственно в действующих теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они могут обеспечением дополнительной выработки электроэнергии по экономичному теплофикационному циклу, а также в системах оборотного водоснабжения использование внутриквартальных установок на базе АТН с газовой топкой.

5. Свобода выбора привода для ТН. Электропривод является самым распространенным устройством, связывающим ТН с энергосистемой напрямую. Однако в конкретных условиях города в качестве привода для ТН могут применяться детандер-генераторные установки, использующие небольшие гидроэнергетические установки, использующие избыточное давление воды в системе городского водоснабжения и водоотведения вследствие разницы геодезических отметок местности, ветроэнергетические установки, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания.

6. Возможность использовать ТН для гибкого регулирования структуры топливопотребления города и отдельных регионов при переходе от газовых технологий к угольным.

промышленности, ТН производят тепло, охлаждая технологические потоки, то есть совмещают функции нагревательных и охлаждающих устройств, что снижает энергозатраты на производство промышленной продукции.

8. Развитие экологически чистого теплоснабжения в зонах рекреации и на территории особо охраняемых природных территорий. Экологический фактор в рекреационных зонах является одним из определяющих системообразующих факторов социально-экономической деятельности, направленной на сохранение исходного природного многообразия флоры и фауны, здоровья населения нашей страны.

1.1.3. Оценка ресурсного потенциала возобновляемых источников и проблем его практического использования Стимулом для широкого практического применения ТН являются практически неограниченные ресурсы источников тепла низкого (до 40°С) температурного потенциала (НИТ), не представляющие ценности для прямого коммерческого использования.

низкопотенциальных источников тепла, которые сильно различаются по температуре, объемным расходам, химическому и фракционному составу.

Приводимые в литературе [22,59,113,129,130,147,223,309, 313] и источниках низкопотенциальных источников имеют существенные различия, что позволяет выполнить только экспертные оценки потенциалов замещения ископаемых видов топлива. Представленные в таблице 1.3 результаты экспертных оценок [22] дают общее представление о порядке величины возможного энергосберегающего эффекта в целом по стране.

Ресурсный потенциал замещения органического топлива [22] ТЭС АЭС Ежегодно в России расходуется на нужды теплоснабжения порядка 400-460 млн. т у.т. [66], что меньше валового ресурсного потенциала тепла техногенных выбросов в окружающую среду. Экономический потенциал низкопотенциальных источников оценивается в целом почти в 53 млн. т у.т., что эквивалентно выработке 260 млн. Гкал отпущенного потребителям за год полезного тепла от котельных установок с tjK= 0,7. Это приблизительно соответствует тому количеству тепловой энергии, которое могут отпустить промышленным и гражданским потребителям за отопительный сезон в Сибири такие котельные суммарной установленной мощностью 9,45- Гкал/ч. На общем фоне производства тепла в России это равнозначно замене всего парка малых котельных децентрализованного сектора теплоснабжения России (см. табл. 1.2). Однако, за период с конца 80-х годов прошлого века по настоящее время в России установленная мощность ТНУ не превысила 100 Гкал/ч, что позволило задействовать менее ОД % от его располагаемого беспредельным является тепловой потенциал поверхностных водных источников и тепла верхних и глубинных слоев грунта.

использования имеющегося потенциала замещения ископаемых видов топлива следующие: до последнего времени доступность и дешевизна ископаемых видов топлива, суровые природно-климатические условия, низкий уровень экологических требований к энергетическим технологиям, отсутствие развитого рынка ТН и несовершенство технологий использования большинства специалистов [130,165,269,298,313] и в большинстве случаев предельно низкие температуры наиболее распространенных НИТ являются факторами, определяющими в России эффективность использования тепла возобновляемых источников для целей теплоснабжения. В отличие от других регионов России, стран СНГ и зарубежных стран с холодным и умереннохолодным климатом природно-климатические условия на большей части классификации можно отнести к разряду суровых и наиболее суровых. Вся обширная территория Якутии, северные районы Красноярского края, Читинской, Томской и Тюменской областей относится к разряду наиболее холодных регионов не только России, но и планеты. В Оймяконе средняя температура холодной пятидневки составляет -62°С, продолжительность периода, когда температура опускается ниже +8°С составляет 286 суток, а произведение продолжительности отопительного периода на величину предельную величину около - 7000 дней С. Для сравнения укажем, что для столиц сопредельных с Россией государств СНГ: Астаны, Киева, Минска, эти величины будут соответственно -36, - 25 и - 28 °С; 215, 176 и 221 суток; и - 354 дней -°С. К неблагоприятным температурным условиям следует добавить наличие обширных очагов вечной мерзлоты, требующих применения нетрадиционных методов строительства и надземной прокладки всех видов транспортных и инженерных коммуникаций [283]. При надземной прокладке водопроводных сетей и технологических трубопроводов теплоспутников, обеспечивающих поддержание их жизнеспособности в суровых природно-климатических условиях. Высокая сейсмичность ряда наиболее обжитых и уникальных по своей природе территорий Сибири, например Прибайкалья и Алтая, дополняет общую картину природных аномалий. По причине суровых климатических условий на большей части территории России не могут быть использованы подходы, получившие развитие в странах Европы, США, Японии, Китае и других странах с относительно благоприятными климатическими условиями. В частности наружный воздух, тепло верхних слоев грунта в условиях наших систем отопления не дают существенного энергетического эффекта. Количество работ [ 45,299,300], в которых исследуется возможность использования тепла воздуха для целей теплоснабжения, крайне ограничено. Для характерных европейских показателей теплосъема с 10...60 Вт с погонного метра термоскважины в России необходимо реализовать в 2-3 раза больший объем земляных работ, особенно в Сибири. Известный эффект «нулевой завесы» [47,277] в условиях Сибири с высоким уровнем промерзания грунтов является ограничением на применение этой технологии при горизонтальных схемах прокладки грунтовых коллекторов ТНУ. Вопросам использование тепла грунта посвящено ограниченное количество работ российских авторов [5,6,55,57-59,88,146,175,207,269], а действующие теплонасосные установки на базе тепла грунта размещены в относительно теплом регионе европейской части России.

1.2. Общая характеристика традиционных и перспективных ТН Общая классификация ТН представлена в ряде работ [1-3,7,52,79, 156,157,186,187,197, 273,292,341,334]. Классификация по четырем основным признакам представлена в таблице 1.4.

Общая классификация тепловых насосов технического назначения [292].

Принцип работы Характер Периодичность 4.1 Непрерывного действия Следует отметить, что тепловая энергия может использоваться в качестве приводной не только для машин сорбционного типа, а например, в компрессионном цикле Стирлинга с внешним подводом тепла.

важным является принцип классификации по циклам, среди которых выделяют газовые компрессионные, парокомпрессионные, сорбционные ( абсорбционные и адсорбционные), вихревые на эффекте Ранка-Хилша, и др.. Общим для них является выполнение второго начала термодинамики.

Часто к числу ТН также относят устройства, обеспечивающие совместную выработку коммерчески ценных потоков тепла и холода. Такие устройства находят применение для перераспределения тепловых потоков внутри крупных зданий в кольцевых системах круглогодичного кондиционирования воздуха [247,325].

выпускаемых за рубежом ТН, работают в режиме нагрева теплоносителей на нужды горячего водоснабжения и кондиционирования [54,193,194].

парокомпрессионного на фреонах и абсорбционного типов (АТН), в большинстве своем работающие на водных растворах LiBr (АБТН), и ограниченно на смеси аммиак/вода [196,197]. Эти машины являются базовой основой для использования тепла возобновляемых и вторичных Научные основы их разработки, создания и применения широко освещены в исследования приведен в последующих главах работы.

Тепловые насосы адсорбционного типа (АДТН). Значительный исследователи [17,61-63,127,145,211,171,253,254,293,305] связывают с ТН представляют большой интерес АДТН малой мощности с рабочими телами эффективные рассматриваются комбинации в виде миникристаллов соли на поверхности пористого тела, например угольного волокна или пористой высокотеплопроводной матрицы (пенометалл). Проблемы и перспективы развития АДТН были на протяжении последних 20 лет в центре внимания международных конференций в Париже (1992г), Монреале (1997г), Мюнхене (1999г), Шанхае (2002 г), Минске, Киото (2003, 2005гг).

Преимуществом АДТН по сравнению с АТН является возможность их использования в широком диапазоне температур, конструктивная простота, нечувствительность к силам тяжести, а главным недостатком периодичность их работы (см. рис. 1.2). Процессы интенсификации тепломассообмена для этих машин является более критичными из-за большей толщины слоя Рис. 1.2. Принцип работы АДТН периодического действия.

Простейший АДТН состоит из двух замкнутых сосудов, соединенных между собой по пару рабочего тела (рис. 1.2,а). Один из них содержит сорбент, насыщенный рабочей жидкостью, другой используется как конденсатор-испаритель. При нагреве сорбента и подводе к нему количества тепла Qr (рис. 1.2,6) десорбируются пары рабочей жидкости (сорбата), что приводит к увеличению температуры и давления в сосудах и осуществляется процесс конденсации с отводом тепла QK через стенки сосуда. Этот процесс происходит до выравнивания температур в обоих горячих сосудах (рис.

1.2,в). При отводе тепла из первого сосуда происходит снижение давления и сорбент начинает адсорбировать пар, теплота абсорбции которого ?л отводится через стенки сосуда, а во втором сосуде происходит испарение (кипение) с отводом тепла QH от внешней охлаждаемой среды. По мере охлаждения стенок система приходит в исходное холодное состояние (рис.

1.2,д) с выравниванием давления в обоих сосудах. Аналогично будут работать АТН периодического действия с жидкими сорбентами, например периодического действия связывают с развитием водородных технологий (см. рис. 1.3), в частности, с созданием эффективных систем тригенерации [61] на основе высокотемпературных топливных элементов (ТЭ).

для трансформации бесконечно больших потоков энергии с уровня Тос на Т бесконечно малое количество работоспособной приводной энергии. Во втором случае вся подведенная в цикл работоспособная приводная энергия будет практически напрямую преобразована в тепловую энергию при бесконечно малых количествах трансформации низкопотенциальной энергии с уровня Тос на Т.

Согласно (2.12) в циклах сорбционного типа в отличие от циклов парокомпрессионного типа возникает зависимость от температурного уровня подвода эксергии теплового потока в цикл Тв для осуществления термокомпрессии паров рабочего тела в обратном термодинамическом цикле.

В предельном случае при Тв-^ выражение (2.12) преобразуется в (2.11).

бесконечно малым будет количество тепловой энергии, трансформируемой с уровня Тос на уровень практического потребления Т. При Т = ТВ согласно Тв >Т, при котором возможно осуществление прямого термодинамического термокомпрессией паров рабочего тела.

энергетической эффективности.

реализации прямых и обратных термодинамических циклов [10,41,292 и др.] для идеальных циклов можно принять Тос =ТНИТ. Тогда при фиксированных эффективности процессов преобразования исходных потоков энергии может быть определена как:

термодинамическую эффективность идеальных прямого и обратного циклов Карно. Прямой цикл реализуется между температурами теплоисточников:

верхнего - Тв и нижнего - Тшт; обратный цикл в диапазоне температур теплоисточников: верхнего - Т и нижнего - Тнит. Совершенство всех термодинамических процессов циклов характеризуется соответствующими значениями эксергетических КПД т]е и Т]е для машин парокомпрессионного и сорбционного типов. При одинаковых показателях эксергетическои эффективности циклов {J]e =т]е ) на основании (2.11) — (2.13) выполним анализ влияния температур внешних теплоисточников Тв, Тшт и Г на эффективность процессов термотрансформации.

следующие соотношения:

которое позволяет сделать вывод о том, что одинаковые по величине термодинамического цикла дают относительно больший эффект.

весьма близки, что требует более четкого определения нулевого уровня отсчета эксергии, особенно для анализа циклов по совместной выработке тепла и холода.

По аналогии с работами Ильина А.К. и Ильина Р.А. [139,141 и др.] по термодинамическому анализу энергетических установок эффективность систем на основе ТН может быть оценена по коэффициенту использования необходимой для потребителя Еш к эксергии теплоты ЕГ, выделяющейся при сгорании топлива при температуре горения Тг в стехиометрических условиях.

Предложим наше видение этой оценки в более широком приложении произведен на основании выражения где Qr QnorEPb - количество теплоты выделившееся при сжигании топлива и его количественные теплопотери при передаче до потребителя; тп г 1 — 1— - эксергетические температурные функции.

представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. К понятию располагаемой тепловой эксергии и коэффициенте Оценим область работы идеальных технологий на простом примере.

Из рис. 2.4 видно, что в процессе передачи тепла с уровня горения топлива Тг на уровень его потребления Тп вследствие необратимости происходит ее значительное уменьшение, особенно в зоне температур работы централизованных и низкотемпературных систем теплоснабжения при Т характеризует эксергетическим КПД:

В связи с аддитивностью потерь эксергии в статических условиях где AEn... AEis - потери эксергии в /'-ых элементах технической системы.

2.3.2 Принцип неэквивалентности эксергии и эксергетических потерь Данное свойство приобретает особую актуальность для теплонасосных систем, которые находятся на конечных стадиях преобразования потоков термодинамическую циклу эксергию для относительного небольшого по потенциала больших количеств низкопотенциального тепла возобновляемых и вторичных источников.

Роль потерь эксергии в разных элементах системы неодинакова. Она преобразования первичных источников энергии находится рассматриваемый эксергетическими КПД составных элементов и схемой их подключения в процессы преобразования потоков энергии. Одинаковое увеличение потерь в различных элементах приводит к неодинаковому возрастанию необходимой затраты эксергии Е' на входе в систему.

Рассмотрим техническую систему с последовательным соединением элементов (рис.2.7), в которой эксергетические потери в одном из элементов увеличились на АЕ К. На рис. 2.7 б) показано, что это увеличение потери происходит в п-ом элементе, а на рис. 2.7 в) — в первом элементе Е не изменяется, так же, как и значения эксергетических КПД Г),, всех элементов (кроме элемента, в котором потеря выросла на Л к ). В первом случае меняется КПД г)п, во втором - тп,. Увеличение потерь на одну и ту же величину АЕК в разных элементах приводит к разному возрастанию эксергии на входе в систему [Е'6 — E'^j >{Е[ — Е'а^. Уменьшение потерь эксергии особенно важно на заключительных стадиях процесса.

Рис 2.7 Диаграммы потоков эксергии в зависимости от месторасположения отдельных элементов Дополнительную первичную эксергию АЕ', которую нужно затратить на входе (в начальном сечении процесса) для компенсации дополнительной потери АЕК, можно определить как:

Таким образом, увеличение эксергетической потери на АЕК в п-ом увеличением потерь АЕК в первом элементе технической системы.

Подобно потерям эксергии сама эксергия Е{ на разных участках системы также неэквивалентна. Неэквивалентность эксергии связана с конкретными, частными, необратимыми процессами. В них эксергетические превращения могут идти только определённым путём, заданным для каждой системы, и сопровождаются они заранее заданными потерями эксергии. Чем дальше в технологической цепочке находится элемент, тем больше затрат. В этом смысле вторичная эксергия Е на выходе из системы (или в любом её сечении) неэквивалентна первичной эксергии на входе Е' — она «дороже» в данных условиях. Поэтому её потери требуют большей затраты первичной эксергии для проведения процесса. Энергетические ресурсы нужно экономить прежде всего потребителям энергии, особенно в заключительных звеньях технологической цепочки. ТН являются одновременно потребителями эксергии невозобновляемых и возобновляемых источников, энергетической ценностью, что определяет их системную специфику.

2.3.3 Эксергетические потоки и потери эксергии при сжигании топлива Движение потока эксергии при сжигании исходного органического топлива (см. рис. 2.8) дает представление о ценности приводной энергии для ТН и других теплоисточников, полученной посредством современных энергетических технологий.

эксергию топлива Ех и окислителя Е2 (кислород воздуха). Если в процессе ввода в систему осуществляется их регенеративный подогрев за счет части эксергии Е3 продуктов сгорания, то их эксергия увеличится до Е4 > Е'. В процессе подогрева (процесс I) происходит потеря некоторой части эксергии АЕ1, показанная на рисунке 2.8 заштрихованным треугольником.

регенеративного подогрева Е4 поступают в топку (камеру сгорания и другое аналогичное устройство), где происходит процесс превращения эксергии топлива и окислителя в эксергию Е5 продуктов сгорания (процесс II), топливных котлов не вся эксергия топлива в результате процесса горения преобразуется в теплоэксергию. Процесс горения сопровождается потерей эксергии АЕ2 (см. рис. 2.8.) Рис. 2.8. Схема потоков эксергии в процессе сжигания топлива Эти потери зависят от температуры горения - чем ниже температура горения, тем выше эти потери. Возрастание потерь эксергии со снижением температуры актуально для каталитических процессов низкотемпературного окисления в теплофикационных установках (каталитических генераторах тепла). Если не учитывать относительное снижение образования вредных окислов NOx, положительное представление об энергосберегающем эффекте таких технологий можно поставить под сомнение. Дальнейшее движение потока эксергии Е5 в виде высокотемпературных продуктов сгорания возможно в различных направления в зависимости от вида используемой энергетической технологии. Можно получить механическую работу в газовой турбине, либо осуществить ее передачу в теплообменных аппаратах воде или водяному пару. Процессы использования исходной эксергии Е высокотемпературных продуктов сгорания (процесс III) для различных технологических целей сопровождается потерями эксергии АЕ3 • При получении механической энергии Е" в турбине или каком либо другом преобразователе тепловой энергии в механическую получаются два типа потока энергии: высококачественной механической и тепловой в виде остаточной теплоты продуктов сгорания с эксергией Е6, Первый из них, с эксергией Е", может быть использован в качестве приводной энергии для ПКТН. Остаточная эксергия Е6 низкотемпературного потока дымовых газов может быть за счет процессов регенеративного теплообмена частично возвращена на вход системы для подогрева топлива и окислителя в размере Е3 или полностью отведена в атмосферу в виде безвозвратных потерь эксергии Е1 = АЕ". Потери АЕ'3 являются потерями в газовой турбине.

В случае передачи эксергии Е5 воде или водяному пару (процесс III) в виде Е", последняя также представляет полезный продукт технологии сжигания топлива, как и при получении механической энергии. Однако, возможности дальнейшего практического использования этой эксергии в качестве приводной для реализации обратных термодинамических циклов (электрической) энергией. Потери АЕ'3 в этом случае обусловлены теплопередачей при больших разностях температур между продуктами сгорания, водой и паром.

Потери эксергии при горении топлива можно представить в виде соответствующих площадей в T-S координатах (см. рис. 2.9). Здесь площадь 1-2-2'-Г под линией 1-2 процесса горения топлива и охлаждения дымовых газов до температуры окружающей среды Тос интерпретирует эксергию топлива до процесса горения, площадь l-b-2-l - теплоэксергию после процесса горения, а 1 *-1 -2'-2 - потери эксергии от неравновесного горения топлива. Разность площадей позволяет определить потери эксергии при горении топлива:

Рис. 2.9 Зависимость эксергетических потерь от температуры сжигания топлива Можно также видеть, что с увеличением температуры горения с Т{ до Т3, когда горение топлива с той же самой исходной химической эксергией осуществляется при более высоких температурах (площадь 3-2-2'-3' равна площади 1-2-2'-Г) эксергетические потери АЕГ уменьшаются, так как Однако, эффективность дальнейшего использования продуктов высокотемпературного горения топлива определяется спецификой применяемых для этого энерготехнологий.

В реальных процессах горения природного газа [328] температура продуктов сгорания достигает при стехиометрическом соотношении топлива и окислителя воздуха 2250°К.

2.4 Сравнительный анализ эффективности топливных котлов и АБТН со встроенной топкой Анализ потерь в топливном котле важен не только для сравнительного анализа эффективности ПКТН и топливных котлов, но и для понимания эффективности работы абсорбционных машин с встроенной топкой, а также других типов ТН с внешним подводом тепла, например, работающих по циклу Стирлинга.

Эксергетические потери при теплоснабжении от водогрейного котла можно определить как сумму потерь от неравновесности процессов горения топлива и последующего теплообмена между продуктами горения и сетевой водой в водогрейном котле (см. рис. 2.10). В процессе теплообмена эксергия продуктов сгорания, определяемая площадью 1-3-3'-Г под кривой горения топлива 1-2, передается для нагрева воде (линия Вх-В2) системы теплоснабжения в равном количественном соотношении (площади 1-3-3'-Г и ВГВ2 - 4 - 3 ' равны).

Рис. 2.10 Эксергетические потери в водогрейном котле.

Эксергетические потери АЕК1 вследствие неравновесности процессов горения, химического и механического недожога, с теплом уходящих газов, излучения обмуровкой можно интерпретировать на графике площадью 3-2потери от неравновесного процесса горения АЕ#2 площадью 1-3-3'-Г, а