Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности теплонасосных установок на новых рабочих веществах

Поиск рационального способа преобразования энергии посредством той или иной энергетической установки — это, прежде всего, исследование возможностей повышения ее термодинамической эффективности.

Использование теплонасосных установок (ТНУ) представляется наиболее удачным способом реализации потенциальных возможностей эффективного преобразования низкопотенциальной тепловой энергии с целью теплоснабжения и (или) горячего водоснабжения, а также для получения технологического или другого полезного эффекта. Перспективность этого направления подтверждает высокий уровень мирового спроса на теплонасосную технику [54]. В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов, при этом при строительстве общественных зданий во многих случаях используются исключительно ТНУ. В Швеции 70% теплоты для нужд теплоснабжения вырабатывается ТНУ. В Стокгольме 12% всего отопления обеспечивается ТНУ общей мощностью 520 МВт, использующими в качестве источника теплоты воду Балтийского моря с температурой 4 — 8 °C. В Германии до 1995 г. государство предоставляло дотацию при внедрении ТНУ в размере 350 марок за каждый 1 кВт установленной мощности. Общий объем продаж выпускаемых за рубежом ТНУ составляет 125 млрд долл. США. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 г. в мире доля ТНУ в теплоснабжении составит 75%. В России в настоящее время массового производства тепловых насосов нет.

Современный уровень мирового развития теплонасосной техники предлагает потребителю широкий ассортимент установок различной конструкции, мощности и эффективности, конкретный выбор которых зачастую определяется целью и возможностями теплового насоса. Важным фактором, оказывающим влияние на все характеристики ТНУ, а также на решение комплексной задачи их оптимизации, является выбор рабочего вещества теплового насоса.

В свете ограничений, наложенных на производство и использование наиболее широко распространенных хладагентов международными соглашениями, ратифицированными Российской Федерацией (Монреальский протокол в 1987 г. и Киотский протокол в 2004 г.), актуальным становится вопрос поиска новых, перспективных рабочих веществ теплонасосной техники. Мировой тенденцией в этой сфере является переход на природные хладагенты [62], однако выбор приемлемых для этой цели веществ ограничен их физико-химическими и термодинамическими свойствами или требованиями к безопасности при их использовании.

Среди основных требований, предъявляемых к искомым хладагентам, -пожарои взрывобезопасность, низкий потенциал озоноразрушения, экологические и медицинские критерии при производстве и эксплуатации, термическая и коррозионная стойкость, цена самого вещества, однако ключевым фактором при выборе того или ицого рабочего вещества является, прежде всего, термодинамическая эффективность цикла при его использовании.

Внедрение нового поколения рабочих веществ ТНУ требует решения ряда вопросов, связанных с обоснованием их выбора, определением энергетической эффективности циклов на них, интенсификацией процессов тепломассообмена в основных аппаратах и др. Решение этих вопросов осложняется отсутствием разработанной обобщенной методики сравнения эффективности применения тех или иных рабочих веществ в циклах ТНУ, а также малым количеством опубликованных данных о результатах теплотехнических и ресурсных испытаний таких установок.

В рамках настоящей работы предполагается разработка методики сравнения термодинамической эффективности ТНУ на различных рабочих веществах. Проведение теплотехнических испытаний ТНУ на рабочих веществах, выявленных в ходе применения такой методики, позволит экспериментальным путем оценить ее работоспособность.

Поиск рабочих веществ, альтернативных запрещенным хладагентам, предполагается вести в области наиболее безопасных для человека природных 5 хладагентов, а также фторорганических веществ, относящихся к классу фторуглеродов, и смесей на их основе, обладающих всеми необходимыми предпосылками для их эффективного использования в ТНУ.

Смесевые хладагенты широко применяются в холодильной технике, однако возможность их использования в качестве рабочих веществ тепловых насосов до недавнего времени в России практически не исследовалась. Особого внимания здесь заслуживают зеотропные (неазеотропные) смесевые хладагенты. Эффективность их использования в тепловых насосах отмечена в 1981 г. Соколовым Е. Я. [8]: «Используя это обстоятельство [температурный глайд зеотропной смеси в процессах конденсации/испарения], можно в ряде случаев подобрать хладоагент так, чтобы изменение его температуры в конденсаторе проходило эквидистантно изменению температуры идущей противотоком воды (или воздуха), а в испарителе — хладоносителя (если его температура переменна). В результате можно уменьшить потери от необратимости.».

В настоящее время следует отметить работы Огуречникова Л. А. [50−53], посвященные использованию зеотропных смесей в тепловых насосах. Есть также отдельные публикации, анализирующие возможность использования таких смесей в ТНУ [32,40], однако все немногочисленные представленные работы носят зачастую лишь теоретический характер. Проведение теплотехнических испытаний ТНУ и создание на их основе необходимой экспериментальной базы данных в этой связи становится особенно актуальным.

Таким образом, настоящая диссертационная работа посвящена поиску новых рабочих веществ, обеспечивающих наибольшую термодинамическую эффективность цикла ТНУ, и анализу условий их применения, а также разработке и экспериментальному исследованию реальных установок с целью подтверждения полученных расчетных результатов.

Для проведения экспериментальных исследований новых рабочих веществ на базе кафедры Теоретических основ теплотехники им. М. П. Вукаловича (ТОТ) ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» (НИУ «МЭИ») разработан и 6 создан стенд ТНУ модульного типа, допускающий оперативную замену рабочего вещества, на конструкцию основных теплообменник аппаратов которого получено авторское свидетельство [15].

Кроме этого, в рамках настоящей работы для проведения теплотехнических испытаний используется опытно-промышленная ТНУ на диоксиде углерода, которая была спроектирована, изготовлена научно-производственной фирмой «ЭКИП» (НПФ «ЭКИП») и закуплена НИУ «МЭИ» в рамках «Инновационной образовательной программы 2007 — 2008 гг».

Результаты, полученные в ходе настоящей диссертации, являются частью исследования, проводимого в рамках работы над инициативным научным проектом № 13−08−1 221 «Расчетно-экспериментальное исследование перспективных циклов теплонасосных установок на неазеотропных смесевых рабочих веществах» при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.