Повышение эффективности теплонасосных установок на основе численного и физического моделирования

Рис. 33. Зависимость коэффициента трансформации от количества впрыскиваемой воды, температура воды на выходе из КТА 95 0С, коэффициент трансформации представлен без учета охлаждения, степень повышения давления π=5,15.

Рост степени увеличения давления в компрессоре от 1,1 до 10,1 приводит к снижению эффективности газового теплового насоса, однако в зоне малых значений величины впрыска до d=0,1 кг/кг сух. возд. наблюдается возрастание коэффициента преобразования. В дальнейшем значение коэффициента преобразования стабилизируется.

Принцип повышения эффективности турбодетандерных машин за счет использования впрыска воды (пара) в газовый тракт установки предложено использовать для повышения эффективности ГТУ, которые могут применяться в качестве приводов крупных ТНУ. Ранее автором был получен целый ряд авторских свидетельств на способ повышения эффективности газотурбинных двигателей за счет впрыска воды в различные части газового тракта. Схема газотурбинной установки с добавками пара в газовый тракт представлена на рис.34. Особенностью данной установки является то, что водяной пар получается за счет использования теплоты выхлопных газов ГТУ, и он подается в газовый тракт за камерой сгорания перед силовой турбиной.

Расчетные исследования в программном комплексе «ПОТОК» показали, что в теплообменнике 6 можно получить 60% от расхода продуктов сгорания через установку. При этом мощность на валу силовой турбины повышается до 127,8 МВт, КПД установки увеличивается до 56%. За счет впрыска пара температура перед турбиной понижается до 1146 К, что позволяет принципиально повысить температуру в камере сгорания и соответственно увеличить КПД установки свыше 60%. Расчеты выполнялись для установки ГТЭ-65 завода ЛМЗ. Исходный КПД установки составлял 40%.

Как отмечалось ранее, эффективность теплонасосной установки в целом оценивается коэффициентом преобразования, а для ПТНУ с приводом от ДВС – коэффициентом использования топлива. Проведено исследование влияния повышения эффективности привода ПТНУ и коэффициента преобразования ПТНУ на коэффициент использования топлива системы в целом. Результаты расчетного исследования представлены на рис.35 в графическом виде.

Рис.34. Принципиальная схема энергетической установки с добавкой пара в газовый тракт после камеры сгорания.	Рис. 35 Зависимость коэффициента использования топлива от эффективного кпд привода, коэффициента преобразования ПТНУ и коэффициента использования сбросной теплоты двигателя.

С ростом коэффициента использования сбросной теплоты двигателя β от 0,1 до 0,6 значения КИТ возрастают на 0,5. Увеличение эффективного КПД привода приводит к росту коэффициента использования топлива, но большее влияние на КИТ оказывает коэффициент использования β.

Одним из способов повышения эффективности теплонасосных установок является повышение эффективности привода ПТНУ. Предложено использовать для повышения эффективности приводных газовых ДВС добавки водорода. Разработаны методики исследований, созданы опытные стенды, проведены экспериментальные исследования влияния добавок водорода в газовое топливо (метан) на техникоэкономические характеристики ДВС. Выявлены зоны влияния минимальных добавок водорода на эффективность ДВС. Достигнуто повышение эффективного КПД газопоршневого двигателя до 10% при подаче водорода от 3 до 5% к расходу газового топлива.

Рассмотрены вопросы повышения эффективности приводных ДВС для ПТНУ за счет использования нового типа поршневого уплотнения. Предложена формула для расчета оптимального соотношения высоты и толщины компрессионного кольца, обеспечивающего работу упругих свойств поршневого кольца на низкооборотных двигателях: h = S₁ / 2πr₂, где S₁ - площадь верхнего торца компрессионного кольца, на который действует сила F_о, находится по формуле S₁ = π(r₁² –r₂²), где r₁ – радиус кольца по наружному диаметру; r₂ – радиус кольца по внутреннему диаметру.

Разработаны новые конструктивные решения для поршневых уплотнений ДВС. Проведены испытания поршневых уплотнений на испытательных стендах ОАО «КамАЗ», подтверждена их работоспособность. Достигнута экономия топлива до 5% в режимах малых оборотов. На поршневые уплотнения нового типа получено более 10 патентов.

Разработан новый способ повышения эффективности теплообменных аппаратов за счет использования корпуса и теплообменных труб конусного типа, позволяющий поддерживать тепловой поток в теплообменном аппарате постоянным по его длине за счет увеличения коэффициента теплоотдачи. Разработана методика численных исследований интенсивности теплообмена в теплообменном аппарате, созданы объемные модели элементов ТА, проведено численное исследование процессов гидрогазодинамики и тепломассообмена в ТА с использованием программного комплекса ANSYS CFX. Эффективность теплообменного аппарата возросла до 8% при снижении его массы до 15%. Получены патенты на способ и устройство, реализующее данный способ повышения эффективности ТА.

Для технико-экономической оценки различных способов производства теплоты предложено ввести понятие коэффициента топливной эффективности Кт, представляющего из себя отношение цены полученной тепловой энергии к стоимости топлива, затраченного на ее производство. Проведен анализ различных способов производства теплоты для потребителя, результаты которого представлены в таблице 2 и в виде графических зависимостей на рис 36, 49.

Таблица 2. Результаты сравнительного анализа экономической

эффективности различных отопительных установок.

Тип установки	Себестоимость полученной энергии, руб./Гкал	Отношение себестоимости полученной энергии к затратам на её производство	Отношение цены полученной энергии к стоимости топлива, затраченного на ее производство
Мини-ТЭЦ с газопоршневым приводом	859,12	1,53	4,65
Котельная установка	408,41	1,50	0,67
ТНУ с приводом от газопоршневого двигателя	473,76	1,50	4,25
ТНУ с приводом от электродвигателя	1 229,49	0,58	0,87
Мини-ТЭЦ с дизельным приводом	2 177,29	0,43	1,68
ТНУ с приводом от топливных элементов	1 253,85	1,20	10,62

Из анализа графических зависимостей на рис. 48 и 49 следует, что минимальная себестоимость тепловой энергии достигается в газовой котельной и составляет около 600 руб./МВт.

Тепловой насос с электроприводом при существующих тарифах на тепловую и электрическую энергию становится конкурентоспособным с газовой котельной при коэффициенте преобразования φ = 7,3. ПТНУ с газопоршневым приводом выходит на уровень конкурентоспособности при φ=3,8. Коэффициент топливной эффективности для ПТНУ с газопоршневым приводом при φ ≥ 3,8 превышает значение Кт = 1,8 для газовой котельной и достигает значения Кт = 2,5 при φ = 5. Тепловые насосы являются видом отопительных установок, которые при повышении их эффективности превосходят газовые котельные.

Из анализа полученных данных следует, что применение в России в условиях централизованного теплоснабжения при существующих тарифах на электрическую и тепловую энергию ПТНУ с газопоршневым приводом более целесообразно, чем с электрическим, т.к. они становятся экономически эффективными при коэффициенте преобразования около 4.

В заключении сформулированы следующие основные выводы по работе:

1. 
   Разработаны математические модели основных элементов парокомпрессионных и газовых теплонасосных установок для программного комплекса термогазодинамических расчетов энергетических установок, проведена модификация программного комплекса и адаптация его для термогазодинамических расчетов энергоустановок. Разработана методика расчетов параметров теплонасосных установок с использованием программного комплекса «ПОТОК». Проведена верификация численных моделей в программном комплексе «ПОТОК» по результатам экспериментальных исследований.
   
2. 
   Разработана методика представления свойств рабочих тел теплонасосных установок в виде, удобном для использования в расчетном комплексе, в том числе жидких и двухфазных. Создан банк данных теплофизических свойств рабочих тел ТНУ в электронной форме (R12, R22, R32, R125, R134A, R410).
   
3. 
   Разработана методика использования программного комплекса для термогазодинамических расчетов энергетических установок в нерасчетных режимах их работы.
   
4. 
   Впервые установлены и математически описаны зависимости основных показателей эффективности теплонасосных установок от их внешних и внутренних параметров: коэффициенты преобразования φ=f(T_И), φ=f(T_К), φ=f(∆T). Разработаны рекомендации для выбора оптимальных параметров теплонасосных установок.
   
5. 
   Проведены численные и экспериментальные исследования различных схемных решений ПТНУ, выявлены оптимальные схемные решения, обеспечивающие повышение эффективности теплонасосных установок до 20%.
   
6. 
   Разработан способ повышения эффективности приводного газопоршневого двигателя парокомпрессионной ТНУ за счет использования добавок водородного топлива, проведено экспериментальное исследование влияния добавок водорода на эффективность работы двигателя, обеспечивающих ее максимальный рост. Выявлены режимы, обеспечивающие экономию топлива от 3 до 10 % и повышение эффективного КПД от 5 до 13%.
   
7. 
   Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности приводного газопоршневого ДВС ТНУ за счет использования поршневого уплотнения нового типа, проведена опытная апробация работоспособности поршневого уплотнения, выявлены режимы работы двигателя, обеспечивающие повышение экономичности до 5%.
   
8. 
   Впервые разработан и запатентован способ повышения эффективности теплообменных аппаратов для парокомпрессионных ТНУ за счет использования конусообразных труб и корпусных деталей, установлено, что данное решение уменьшает массу теплообменных аппаратов до 15% и повышает эффективность теплообмена до 23%.