Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Полезная модель относится к промышленной теплоэнергетике, а именно к системам теплоснабжения промышленных предприятий и городов, использующих теплоту, генерируемую на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), а также для получения холода при утилизации низкопотенциальных сбросных источников теплоты.
Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, в которой организуется многоступенчатый нагрев воды теплонасосного цикла и в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе использована вода систем оборотного технического водоснабжения промышленных предприятий, поступающая на охлаждение в градирни или пруды-охладители, и имеющие минимальную температуру в зимнее время не менее 25°С.
Полезная модель позволяет существенно повысить теплопро- изводительность ТЭЦ за счет полезного вовлечения низкопотенциального тепла с помощью теплонасосной установки в систему отопления и горючего водоснабжения, ранее теряемого в градирнях, а также экономичность производства электроэнергии благодаря снижению потерь в системе охлаждения (градирнях), главным образом, в отопительный период.
Полезная модель обеспечивает возможность использования теплона­сосной установки на практически любых крупных промышленных предприятиях различных отраслей промышленности (энергетика, металлургическая, нефтехимическая и т.д.). Коэффициент преобразования в данной установке составляет 7-9 единиц.

Текст

Смотреть все

(51) 25 29/00 (2006.01) 25 30/06 (2006.01) 24 17/02 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ оборотного технического водоснабжения промышленных предприятий, поступающая на охлаждение в градирни или пруды-охладители, и имеющие минимальную температуру в зимнее время не менее 25 С. Полезная модель позволяет существенно повысить теплопроизводительность ТЭЦ за счет полезного вовлечения низкопотенциального тепла с помощью теплонасосной установки в систему отопления и горючего водоснабжения, ранее теряемого в градирнях, а также экономичность производства электроэнергии благодаря снижению потерь в системе охлаждения (градирнях), главным образом, в отопительный период. Полезная модель обеспечивает возможность использования теплонасосной установки на практически любых крупных промышленных предприятиях различных отраслей промышленности(энергетика, металлургическая, нефтехимическая и т.д.). Коэффициент преобразования в данной установке составляет 7-9 единиц.(76) Алимгазин Алтай Шурумбаевич Петин Юрий Маркович Алимгазина Сауле Гафезовна Бахтияров Аскар Еркенович(54) ТЕПЛОНАСОСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ(57) Полезная модель относится к промышленной теплоэнергетике,а именно к системам теплоснабжения промышленных предприятий и городов, использующих теплоту, генерируемую на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), а также для получения холода при утилизации низкопотенциальных сбросных источников теплоты. Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, в которой организуется многоступенчатый нагрев воды теплонасосного цикла и в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе использована вода систем Предлагаемая полезная модель относится к промыышенной теплоэнергетике, в частности к системам теплоснабжения предприятий и городов,использующих теплоту,генерируемую на теплоэлектроцентралях(ТЭЦ),к системам теплоснабжения с использованием тепловых насосов (ТН) для нагрева воды, и может найти применение для горячего водоснабжения (ГВС) и отопления жилых,общественных,производственных зданий и сооружений, а также для получения холода при утилизации низкопотенциальных сбросных источников теплоты. Известны способы теплоснабжения,включающие подачу воды для ее нагрева с помощью одного теплового насоса,обеспечивающего подачу подогретой воды к потребителям. Причем в вышеуказанных ТН в качестве низкопотенциальных источников теплоты используют как теплоту грунтовых вод(Инновационный патент РК Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, 22603, выдан 26.04.2010 г.),грунтов (инновационный патент РК Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, 20835, выдан 25.11.2008 г.), так и низкопотенциальную сбросную теплоту технологических процессов промышленных предприятий(инновационные патенты РК Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, 22306, выдан 25.12.2009 г. 21028, выдан 25.12.2008 г.), теплоту воздуха и др. источники (см.Д.Рей,Д.Макмайл. Тепловые насосы,М. Энерго-издат, 1982, с.98 -111.) К недостаткам всех этих установок, работающих по традиционному обратному теплонасосному циклу Ренкина, следует отнести то, что у практически всех зарубежных и отечественных производителей ТН максимальная температура для теплоснабжения на выходе из ТН составляет 5562 С, что неприемлимо для суровых климатических условий большинства регионов Республики Казахстан (2-3,5 месяца температуры ниже -25 С до -40 С в Северном, Центральном и Восточном Казахстане). Вышеуказанный фактор существенно уменьшает эффективность трансформации тепловой энергии с применением теплонасосной технологии. Следовательно, ТН, которые выдают воду для отопления до 62 С, как в Республике Казахстан,так и в России неприемлемы, и необходимо создавать специальные ТН, адаптированные к нашим климатическим условиям. Для этого предлагается парокомпрессионный многоступенчатый тепловой насос (ПМТН),принцип работы которого точно такой же, как у всех парокомпрессионных тепловых насосов в мире. Но его работа осуществляется не по традиционному теплонасосному обратному циклу Ренкина,а по наиболее совершенному принципиально новому треугольному циклу Лоренца, т.е. при работе с переменными температурами конденсации в соответствии с изменяющейся температурой нагреваемой в 2 конденсаторе сетевой воды и с переменными температурами кипения в соответствии с изменяющейся температурой низкопотенциального источника по мере охлаждения в испарителе. Однако, оказалось возможным модернизировать обычный парокомпрессионный теплонасосный цикл, приближая его к циклу Лоренца, в том числе и к треугольному, путем замены одиночного теплового насоса на многоступенчатую систему,состоящих из более мелких ТН с суммарной теплопроизводительностью, равной или близкой к теплопроизводительности заменяемого ТН. Фактически одиночный ТН заменяется на многоступенчатым тепловым насосом (МТН),представляющим из себя при работе в системе ГВС и отопления многоступенчатую теплонасосную станцию (ТНС). В настоящее время проблема перехода к рабочему циклу, максимально приближенному к треугольному циклу Лоренца, успешно решена в результате многолетней совместной работы российских и казахстанских ученых(См. А.Ш.Алимгазин, Ю.М.Петин, А.П. Кислов. Пути повышения энергетической эффективности теплонасосных технологий в Республике Казахстан. Вестник ПТУ им.С.Торайгырова,серия Энергетика, 2010 г., 1, с.25-39 автореф. дис. Алимгазина А.Ш. на соискание ученой степени д.т.н. Разработка схем и технологий использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии для теплоснабжения изолированных объектов, Алматинский Университет энергетики и связи, 2010 г., 43 с.) Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков и включающий в себя схему ТНУ со ступенчатым подогревом, которая включает в себя подачу воды для ее подогрева в ТНУ, нагревание воды с ее помощью и подачу потребителям с достаточно высокой температурой, является способ горячего водоснабжения и способ отопления с его использованием(см. Евразийский патент ЕА 201300328 А 1 20130628, авторы Петин Ю.М.,Шаманаев С.Н., Опарин Е.В., Голодников Б.С.). Указанная совокупность признаков вышеуказанного авторами технического решения позволяет организовать для нагревания воды в теплонасосной схеме системы, имеющей ступеней последовательного нагрева, теплонасосный цикл,максимально приближенный к треугольному теплонасосному циклу Лоренца, тем самым обеспечить работу автономной системы теплоснабжения в режиме с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. Как показали предварительные расчеты,это обеспечивает высокие технико-экономические показатели теплонасосного цикла коэффициенттрансформации, значительно превышающий такой же коэффициент в традиционных системах теплоснабжения (с одним тепловым насосом), а также меньший удельный расход электроэнергииудел.сред. и срок Вокуп. окупаемости пределах экономической допустимости, но главное существенно меньшую себестоимость произведенного тепла Стела сред. Даже по сравнению с традиционными источниками тепла для ГВС(котельными и ТЭЦ). Достигаемые показатели теплонасосного цикла говорят о повышении технико-экономической эффективности предлагаемого способа по сравнению с выбранным прототипом. К недостаткам этого способа можно отнести то факт,что рассматриваемая температура низкопотенциального источника принимается только в пределах 7 С- 20 С, что, по мнению авторов, при ступенчатом нагреве и указанной в их способе настройке тепловых насосов, позволяет удовлетворить требования полезного использования практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла. В то время как в большинстве систем оборотного технического водоснабжения промышленных предприятий, вода, поступающая на охлаждение в градирни или пруды-охладители,имеет температуры, которая чаще всего бывают равной 25- 45 С. Задачей настоящей полезной модели является расширение области используемых низкопотенциальных источников теплоты за счет утилизации теплоты вод оборотных циклов промышленных предприятий, поступающих их на охлаждение в градирни или пруды-охладители- в возможности использования теплонасосных установок практически на любых промышленных предприятиях различных отраслей хозяйства и повышении надежности работы этих установок определении возможности замены существующего в настоящее время теплоснабжения коммунальной и производственной сферы от теплофикационных отборов турбин ТЭЦ на теплоснабжение от тепловых насосов ТН. Предполагается, что такая замена позволит высвободить пар теплофикационных отборов для производства дополнительной электрической энергии. В отопительной период на выработку дополнительной электроэнергии может пойти все тепло теплофикационных отборов, идущее на отопление и ГВС, а летом только в объеме тепла затрачиваемого на ГВС. Фактически такая схема осуществляется ежегодно естественным путем-летом большая часть теплофикационных расходов пара турбин(отопление) идет на дополнительную выработку электроэнергии. Следовательно, при благоприятных энергетических и экономических показателях масштабного применения тепловых насосов в объеме всех тепловых нагрузок ТЭЦ можно будет осуществлять круглогодично и во всем объеме годового теплофикационного тепла такой же летний режим работы с получением дополнительной электроэнергии будет значительно ниже себестоимости электроэнергии, вырабатываемой непосредственно на ТЭЦ.- повышении теплопроизводительности станций за счет дополнительного вовлечения в систему отопления и горючего водоснабжения значительных объемов теплоты низкопотенциального источника,ранее теряемого в градирнях или прудахохладителях с помощью теплонасосной установки.- повышении также экономичности производства электроэнергии благодаря снижению потерь в системе оборотного технического водоснабжения,главным образом, в отопительный период Повышается надежность и эффективности работы теплонасосных установок и возможности их использования на практически любых крупных промышленных предприятиях различных отраслей промышленности (энергетика, машиностроение,металлургия, нефтехимия и т.д.). Для этого в теплонасосной установке для отопления и горячего водоснабжения организуется многоступенчатый нагрев воды теплонасосного цикла и в качестве низкопотенциального источника теплоты использована вода систем оборотного технического водоснабжения промышленных предприятий, поступающая на охлаждение в градирни или пруды-охладители с температурой не менее 25 С. При этом замкнутый контур для циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса, представляющего собой отдельную ступень нагрева воды, состоит из испарителя, поршневого компрессора,конденсатора,соединенных последовательно трубопроводами. Сущность технических решений поясняется чертежами фиг.1-3 и таблицей 1. На фиг.1 показана предлагаемая схема применения многоступенчатой теплонасосной установки,планируемая к внедрению на промышленной ТЭЦ на фиг.2 схема пятиступенчатой теплонасосной установки,планируемой к внедрению на АО ТЭЦ-2 г. Астаны на фиг.3 - изменение основных показателей работы многоступенчатого теплового насоса (МТН) в зависимости от числа ступеней в табл.1 приведен сравнительный анализ эффективности одиночного теплового насоса НТ-17 545 и пятиступенчатой теплонасосной установки (теплонасосной станции ТНС) равной теплопроизводительности. Многоступенчатая теплонасосная установка(фиг.2) представляет собой теплонасосную схему,состоящую из 5 тепловых насосов, каждый из которых состоит из испарителя 1, компрессора 2 и конденсатора 3, соединенных трубопроводами 4. Конденсаторы 3 тепловых насосов соединены последовательно трубопроводами 7. Для подачи воды низкопотенциального источника (НПИ) служит трубопровод 8, для сброса отработанной воды НПИ - трубопровод 9, для подачи воды на нагрев в теплонасосную схему системы трубопровод 10, а для подачи нагретой воды потребителям - трубопровод 11. Испаритель 1,компрессор 2, конденсатор 3, соединенные трубопроводами 4, образуют замкнутый контур для 3 циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса. Испарители 1 всех тепловых насосов,трубопроводы 8, 9 и НПИ образуют контур низкопотенциального тепла. Конденсаторы 3 всех тепловых насосов, соединенные последовательно трубопроводами 7, образуют с трубопроводами 10,11 водной контур теплонасосной схемы системы теплоснабжения. Теплонасосная установка (ТНУ) для отопления и ГВС работает с помощью указанной системы того же назначения следующим образом. Каждый тепловой насос теплонасосной схемы используют как ступень последовательного нагрева воды. Воду на нагрев подают по трубопроводу 10 в конденсатор теплового насоса первой ступени, а в испарители 1 тепловых насосов каждой ступени по контуру низкопотенциального тепла подают воду НПИ. Рабочее тело в испарителях 1 от этого тепла закипает и из жидкого состояния переходит в газообразное. Образовавшийся пар по трубопроводам 4 попадает в компрессоры 2, где при сжатии нагревается до высокой температуры и под давлением выталкивается в конденсаторы 3 по трубопроводам 5. В конденсаторе 3 теплового насоса первой ступени рабочее тело передает тепло воде, поданной на нагрев по трубопроводу 10, а само из пара превращается в жидкость и по трубопроводу 6 возвращается в испаритель 1. Нагреваемую воду по водяному контуру передают от ступени к ступени последовательно от конденсатора 3 первой ступени подают по трубопроводу 7 в конденсатор 3 второй ступени,нагретую во второй ступени воду до более высокой температуры - по трубопроводу 7 в конденсатор 3 третьей ступени и т.п., а нагретую в пятой ступени воду до нормативной температуры доставляют по трубопроводу 11 потребителям. Для получения режима с полезным использованием практически всего вырабатываемого теплонасосного тепла в теплонасосной схеме системы теплоснабжения для нагревания воды организуют треугольный цикл Лоренца. В теплонасосной схеме используют от трех до шести ступеней нагрева, что оптимально для получения наивысших всех показателей теплонасосного цикла. Начальную температуру воды, подаваемой на нагрев, можно выбирать в пределах от 0 С до 15 С, т.к. именно такая начальная температура максимально близка к температуре кипения рабочего тела теплового насоса первой ступени. Таким образом, при реализации предложенной схемы ТНУ,фактически одиночный ТН,работающий по традиционному циклу Ренкина,заменяется на многоступенчатым тепловым насосом(МТН), представляющим из себя при работе в системе ГВС и отопления многоступенчатую теплонасосную станцию (ТНС) (фиг.2). При этом,каждый из малых ТН, кроме конечного, работает в своем, более малом интервале температур при своих температурах кипения и конденсации, в результате чего достигается как бы переменность температур 4 конденсации и кипения, и, следовательно, более высокие коэффициенты преобразования по сравнению с одиночным ТН. Соответственно, и средний по МТН коэффициент преобразования, так же, как и другие показатели, будет выше, чем у обычного одиночного ТН той же производительности. Максимальный экономический эффект такого схемного решения будет достигнут при бесконечном количестве малых ТН, т.е. наибольшем приближении рабочего цикла к циклу Лоренца, но это приведет к бесконечному увеличению капитальных затрат. Естественно, возникает вопрос, какое же количество ступеней в МТН оптимально Рассмотрим на фиг.3 изменения основных показателей работы МТН в зависимости от числа ступеней, т.е. от числа малых ТН, входящих в состав МТН. Видно, что капитальные затраты на МТН изменяются почти пропорционально изменению числа ступеней, а основные же экономические показатели работы МТН(коэффициент преобразования , себестоимость теплонасосного тепла СтеплМТН и срок окупаемости ) изменяются совершенно иначе. Наибольшее увеличение эффективности происходит при переходе от одиночного традиционного ТН к пятиступенчатому МТН, имеющим теплопроизводительность, равную с традиционным одиночным ТН. В частности,коэффициент преобразования в режиме ГВС(температура горячей воды равна 70 С) при переходе к пятиступенчатому МТН увеличивается в 2,23 раза, себестоимость теплонасосного тепла уменьшается в 2,17 раза, чем в случае одиночного ТН, а срок окупаемости - уменьшается в 1,45 раза. Из анализа графиков (фиг.3) следует, что целесообразно количество ступеней нагрева воды выбирать равным от 3 до 6. Как показали расчеты,при таком количестве ступеней сохраняется увеличение эффективности трансформации тепловой энергии при небольших капитальных затратах, невысоких сроках окупаемости и себестоимости вырабатываемого теплонасосного тепла. При количестве ступеней меньше 3 возрастает срок окупаемости и себестоимость тепла,а при количестве ступеней больше 6 - срок окупаемости и капитальные затраты. Из анализа таблицы 1 следует, что при одной и той же температуре конденсации рабочего тела ТН последней ступени при треугольном цикле Лоренца повышаются все показатели теплонасосного цикла по сравнению с традиционным одиночным циклом теплового насоса (циклом Ренкина), так, например,при температуре конденсации 70 С при пятиступенчатом нагреве коэффициент трансформациисоставляет 8,3 против 3,72 себестоимость вырабатываемого тепла Степл. - 571,36 тенге/Гкал против 1 238 тенге/Гкал(без НДС, тариф тепловой энергии от ТЭЦ-2 г.Астаны) срок окупаемости Вокуп. - 3,23 года против 4,68 лет. При температуре конденсации 75 С и выше работа традиционного одиночного ТН переходит в экономически нецелесообразный режим, из анализа полученных результатов следует, 1843 что при треугольном цикле Лоренца такой режим не наступает даже при температуре конденсации,равной 90 С. Таким образом, сравнение расчетных техникоэкономических показателей говорит о значительном преимуществе и экономическом эффекте предложенной ТНУ по сравнению с традиционным ТН. Результаты многочисленных расчетов,проведенных учеными ЕНУ им.Л.Н. Гумилева совместно с российскими специалистами для различных заказчиков в как России, так и в Республике Казахстан, показали, что нижними границами экономически эффективного использования тепловых насосов для замещения теплофикационных отборов турбин являются- температура низкопотенциального источника нпи 25 С 45 С- схемные решения, обеспечивающие работу ТНС со средним коэффициентом преобразования 6,1 - 6,2. Таблица 1 Сравнительный анализ эффективности традиционного НТ-17,545 и пятиступенчатого МТН равной теплопроизводительности при работе в системе ГВС Удельный расход электроэнергии на привод ТН,кВтч/гКал Себестоимость теплонасосного тепла, тенге/Гкал Единичная теплопроизводитель но сть, Гкал/ч Температура нагретой воды для ГВС, С Температура конденсации рабочего тела, С Исходные параметры и расчетные показатели Темпреатура кипения рабочего тела, С 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 Традиционный парокомпрессионный НТодноступенчатый 17,545 0 80,0 70,1 17,545 340,1 1293,6 3,7200 4,68 теплонасосный 1 шт цикл. Компрессор винтовой 3 Парокомпрессион- НТ-3000 0 35,0 25,0 3,2910 73,70 396,8 14,1200 ный 1 теплонасосный НТ-3000 0 43,0 35,1 3,4010 117,02 474,6 9,9400 цикл с 2 пятиступенчатым НТ-3000 0 55,0 48,1 3,5250 161,40 567,3 7,2200 МТН, компрессоры 3 поршневые. НТ-3000 0 66,0 59,6 3,6280 195,30 638,2 5,9500 4 НТ-3000 0 80,0 69,7 3,7010 234,40 779,9 4,9600 5 4 Суммарные и средние тп 17,545 Гкал/ч еудельн.средн.мтн 156,4 кВтч/Гкал показатели срден.мтн 8,3 С тепло средн.мтн 571,36 тенге/Гкалтепло.ТЭЦпятиступенчатого МТН 1238 тенге/Гкал (без НДС, тариф тепловой энергии ТЭЦ-2 г.Астана. Данные на 01.09.2014 г. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения, в которой организуется многоступенчатый нагрев воды теплонасосного цикла, замкнутый контур для циркуляции рабочего тела каждого теплового насоса, представляющего собой отдельную ступень нагрева воды, состоит из испарителя,поршневого компрессора,конденсатора,соединенных последовательно трубопроводами, отличающаяся тем, что в качестве низкопотенциального источника теплоты использована вода систем технического водоснабжения промышленных предприятий,поступающая на охлаждение в градирни или прудыохладители с температурой не менее 25 С.

МПК / Метки

МПК: F25B 29/00, F24D 17/02, F25B 30/06

Метки: горячего, установка, водоснабжения, отопления, теплонасосная

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/7-u1843-teplonasosnaya-ustanovka-dlya-otopleniya-i-goryachego-vodosnabzheniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения</a>

Похожие патенты