Статья поступила в редакцию 27.03.15. Ред. per. № 2210 The article has entered in publishing office 27.03.15. Ed. reg. No. 2210
УДК 697.1 (07)
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С ТЕПЛОВЫМИ НАСОСАМИ НА БАЗЕ
ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА
С.К. Абилъдинова
Алматинский университет энергетики и связи Казахстан 050013, Алматы, ул. Байтурсынова,122 тел.: +7 702 167 5466; e-mail.saule18kz@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.05.004
Заключение совета рецензентов: 30.03.15 Заключение совета экспертов: 03.04.15 Принято к публикации: 08.04.15
Рассмотрена работа моноблочной тригенерационной экспериментальной установки для энергоснабжения автономных объектов. В состав установки входят энергосиловой агрегат в виде дизель-генератора, геотермальные тепловые насосы как источники тепло и хладоснабжения, котел-утилизатор тепла выхлопных газов.
Компрессоры тепловых насосов имеют привод от вала дизельного двигателя посредством клиноременных передач. На предлагаемой установке энергоснабжение автономных потребителей может быть организовано в режимах моногенерации, простой и сложной когенерации, а также тригенерации.
Приведены результаты экспериментального исследования энергетических показателей установки, подтверждающие ее работоспособность в режиме сложной когенерации. Значения коэффициента преобразования энергии, полученные в ходе испытания тепловых насосов в составе тригенерационной установки, показывают энергетическую эффективность их работы для режима теплоснабжения. Экспериментально определены составляющие энергобаланса установки и состав выхлопных газов при различных уровнях нагрузки потребителя.
Ключевые слова: моноблочная тригенерационная установка, дизель-генератор, геотермальные тепловые насосы, котел-утилизатор выхлопных газов.
THE STUDY OF MODES OF ALTERNATIVE ENERGY SYSTEMS WITH HEAT PUMPS BASED ON DIESEL GENERATOR
S.K. Abildinova
Almaty University of Power Engineering and Telecommunications A-124 Building, 126 Baitursynuly Str., Almaty, 050013 Kazakhstan ph.: 8 (727) 292 07 72; e-mail.saule18kz@mail.ru
Referred 30 March 2015 Received in revised form 3 April 2015 Accepted 8 April 2015
The article deals with the monoblocked trigeneration experimental plant for power supply of autonomic objects. The power plant consists of power unit in the form of a diesel generator, geothermal heat pumps as sources of heat and cold supply, heat recovery boiler of exhaust heat.
The heat pump compressors are driven from the shaft of the diesel engine through a V-belt transmission. On the proposed installation, the energy supply of autonomic consumers can be organized in monogeneric, simple and complex cogeneration and trigeneration modes.
The article also demonstrates the results of experimental study of power plant characteristics, confirming its performance in complex cogeneration mode.
The values of the energy conversion factor, obtained during testing of heat pumps in the composition of trigeneration plants, show the energy efficiency of their work for the heating mode. The author experimentally identifies the components of the energy balance, and then the composition of the exhaust gases at different levels of the load.
Key words: monoblocked trigeneration plant, diesel generator, geothermal heat pumps, heat recovery boiler of exhaust heat.
Абильдинова Сауле Кианбековна Saule K. Abildinova
Сведения об авторе: доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Алма-тинского университета энергетики и связи, Республика Казахстан.
Образование: КазГУ, физический факультет.
Область научных интересов: теплоэнергетика, низкотемпературные процессы и установки; тепловые насосы с электроприводом и приводом от тепловых двигателей; теплонасосные технологии в автономных и централизованных системах теплоснабжения.
Публикации: 23, в том числе в международных научных журналах.
Information about the author: Associate Professor of the Deparment "Industrial Power" of Almaty University of Power Engineering and Telecommunications.
Education: The Kazakh state University, physics faculty.
Research area: heat-and-power engineering; low temperature processes and installations; energy-heat pumps with electrically drive heat engines; heat pump technology in autonomic and centralized heat supply systems.
Publications: 23, including in international scientific journals.
Введение
Экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), применение альтернативных и возобновляемых источников энергии, разработка и внедрение теплонасосных и комбинированных установок в системы тепло- и хладо-снабжения объектов промышленного и гражданского строительства смогут значительно сократить потребление органического топлива.
Особенно перспективным представляется использование тепловых насосов в сочетании с системами на основе возобновляемых источников энергии ВИЭ [1,2]. Такие комбинированные системы теплоснабжения по степени взаимной интегри-рованности элементов теплонасосной системы и элементов систем на основе ВИЭ можно разделить на две категории:
1. Установки на основе сочетания ВИЭ с традиционными элементами теплонасосной установки ТНУ, в первую очередь для питания компрессора, как параллельно с сетью, так и самостоятельно (на основе стандартных выпускаемых промышленностью компонентов).
2. Установки с использованием нетрадиционных компонентов, интегрированных в комплексные устройства с элементами ВИЭ и ТНУ.
Ко второй категории можно отнести тепло-насосные установки, имеющие в качестве низко -потенциального тепла геотермальные коллекторы и компрессоры, имещие привод от вала двигателя дизель-генератора посредством клиноременных передач.
Методика эксперимента
В данной статье рассмотрена работа моноблочной тригенерационной экспериментальной установки, в состав которой входят два геотермальных тепловых насоса [3-5]. В качестве энергосилового агрегата применяется дизельный или газопоршневой (с искровым зажиганием) двигатель внутреннего сгорания (ДВС модели Kubota D905).
Химическая теплота топлива в двигателе частично преобразуется в механическую NM, которая в виде вращающего момента передается непосредственно на вал асинхронного электрического генератора (ЭГ) и одновременно при помощи текстропной передачи на шкивы 2-х фреоновых компрессоров тепловых насосов ТН-1 и ТН-2 (фирмы производителя THERMO KING). Тепловые насосы ТН-1 и ТН-2 являются реверсируемыми и снабжены 4-х ходовыми клапанами, которые позволяют изменять функции теплообменников тепловых насосов (конденсатор (К) теплового насоса становится испарителем (И), и наоборот, соответственно изменяется направление теплового потока на противоположное).
Работа теплонасосных установок, как показано на рисунке 1, может быть организована на базе двигателя внутреннего сгорания. Двигатель работает частично или полностью на привод компрессоров ТНУ. Для этого в экспериментальной установке дополнительно смонтированы два компрессора с приводом от вала двигателя посредством клиноременных передач. Ведущий шкив передач установлен на валу электрогенератора по неподвижной посадке. Соеди-
нение валов двигателя и электрогенератора сохранено штатное. Ведущий шкив имеет два ручья под клиновой ремень. Ведомые шкивы, установленные
на валах компрессов, одноручьевые и содержат электромагнитные муфты сцепления шкивов с валами компрессоров.
Рис. 1. Обобщенная техническая структура моноблочной тригенерационной установки (МТГУ): ДВС - двигатель внутреннего сгорания, дизельный или газопоршневой; ТО - теплообменник вода/вода системы охлаждения рубашки двигателя; КУ - котел-утилизатор (газ/вода) тепла выхлопных газов; ТН-1, ТН-2 - парокомпрессионные реверсируемые тепловые насосы с непосредственным (текстропным) механическим приводом от ДВС; К - конденсатор; И - испаритель; ЭГ - электрический генератор; ЭФ - фидер электропитания Fig. 1. Generalized technical structure of monoblock trigeneration plant (MTGP): ДВС - gas or gas-operated internal combustion engine; ТО - water/water heat exchanger of engine jacket cooling system; КУ - gas/water recovery boiler of exhaust heat; TH-1, TH-2 - reversible vapor compression heat pumps with direct (Textron) mechanical drive from internal combustion engine; К - condenser; И - evaporator; ЭГ - electric generator; ЭФ - feeder power
Включение муфт сцепления осуществляется с электронного пульта управления посредством компьютера. Таким образом, двигатель установки может работать только на электрогенератор. При этом будет вырабатываться электрическая энергия N = 6,5 кВт и тепловая энергия <2Т = 40 кВт в результате утилизации тепла выходных газов, тепла системы охлаждения двигателя и работы двух тепловых насосов в составе тригенерационной установки. этот режим работы установки характеризуется как моногенерационный.
Двигатель может работать на электрогенератор и на один из компрессоров. В этом случае будет вырабатываться электрическая энергия Ыэ = 3,5 кВт, тепловая энергия за счет утилизации тепла выходных газов и системы охлаждения двигателя, а также в теплонасосной установке в количестве QТНУ = 17,5 кВт. В этом случае установка работает в режиме простой когенерации. Двигатель может работать на оба компрессора. В этом случае электрогенератор должен работать в холостом режиме, т. к. вся механическая энергия, вырабатываемая двигателем, будет расходоваться на привод компрессоров,
и будет вырабатываться только тепловая энергия, получаемая в теплонасосной установке и в результате утилизации тепла выходных газов и системы охлаждения двигателя. В этом случае установка работает в режиме сложной когенерации.
Таким образом, режим сложной когенерации (СКГ) с выработкой электрической и тепловой энергии осуществляется с включением геотермальных тепловых насосов. В качестве низкопотенциальных источников тепла для ТН использовалась водопроводная вода. Температура водопроводной воды поддерживалась близкой к значениям предполагаемых геотермальных источников тепла для сезонных условий г. Алматы с помощью холодильника, поскольку условия проведения экспериментов в исслед
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.