Тепловой насос в гибридных системах кондиционирования и отопления

Тепловые насосы обеспечивают производство тепла и холода для систем отопления и кондиционирования соответственно. Эффективность теплового насоса зависит от назначения и использования его возможностей для одновременного производства холода и тепла. Современные тепловые насосы, которые одновременно обеспечивают холод и тепло промышленным объектам или офисным зданиям, характеризуются высоким КПД.

Примером этого является тепловой насос Mayekawa Eco Cute "unimo W / W", работающий в сверхкритических условиях (COP = 8). Эффективность тепловых насосов в зависимости от их конструкции и назначения может быть выше или ниже. Поскольку тепловые насосы могут быть интегрированы с различными системами для повышения их энергоэффективности, в документе представлен пример расчета гибридного теплового насоса с ORC (органический цикл Ренкина).

Гибридная циркуляция - концепции систем

В 2005 году Carrier зарегистрировала патент [1], относящийся к схеме, обеспечивающей одновременное производство электроэнергии, тепла и холода, причем фактор R245a используется в цикле ORC и в цикле теплового насоса. Этот тип системы также описан в [2 ÷ 4], где определяется ее эффективность для стационарных состояний. Баланс энергии для комбинированной системы этого типа показан на рисунке 1. Преимущество этой конфигурации заключается в увеличении полезного тепла, извлекаемого из контура ORC для тепла, получаемого в холодильном цикле. Коэффициент, используемый Carrier, имеет характеристику, которая позволяет компрессору и турбине работать таким образом, что пар на выходе этих устройств перегревается в очень небольшой степени.

Рис. 1. Энергетический баланс в комбинации правого и левого карно [4]: ​​Qe - тепловой поток, подаваемый в котел, Qr - тепловой поток, подаваемый в испаритель холодильного контура, Qu - тепло, получаемое из системы конденсатора, Pt - общая мощность, вырабатываемая в турбине , Pe - электрическая мощность на клеммах электрогенератора, Pc - электрическая мощность, потребляемая компрессором теплового насоса

Потенциальное применение такой системы показано на рисунке 2, где была использована комбинация когенерационной системы и теплового насоса для отопления подсобных помещений и охлаждения складских помещений. Такая система может быть структурно решена несколькими способами:

• левый поворотный компрессор соединен на одном валу с паровой турбиной ORC и электрическим генератором на муфте. Предполагается непрерывная работа системы охлаждения, и при отсутствии меньшей потребности в охлаждении включается электрический генератор;
• левый поворотный компрессор соединен с паровой турбиной ORC с помощью муфты - генератор тока находится на одном валу с турбиной. Компрессор включается в момент охлаждения. Предлагаемая конфигурация позволяет снизить потери, связанные с преобразованием тепловой энергии в турбину для получения электрического тока в генераторе и далее в электродвигателе компрессора. Такая система работает в условиях постоянного спроса на электроэнергию;
• левый компрессор подключен к турбине ORC косвенно с помощью генератора тока и электродвигателя. В этом случае можно производить непрерывный электрический ток. Спрос на холод возникает спорадически, например, в случае пикового спроса на хранение в холодильнике в кондиционерах подсобных помещений.

Рис. 2. Использование когенерационного цикла ORC, взаимодействующего с контуром охлаждения

На рисунке 3 представлено первоначальное предложение системы тригенерации, работающей на основе схемы ORC, которая используется для производства коммунального холода, тепла для отопления помещений и электрического тока. Модель использует газотурбинную систему в качестве одной из возможных систем, генерирующих отходящее тепло. Газовые турбины позволяют достичь высокой температуры выхлопных газов. В мощных газовых турбинах температура выхлопных газов превышает 500 ° C, что позволяет работать с водяным контуром в качестве рабочего тела. В случае небольших газовых турбин температура выхлопных газов достигает, например, 275 ° C (Capstone C30), и при использовании дополнительной цепи ORC существует возможность повышения эффективности производства электроэнергии. Контур охлаждения компрессора должен работать с группой факторов, которые допускают высокую температуру. Такие рабочие агенты включают факторы сухости, для которых температура выше, чем температура конденсации, такие как пропан, аммиак, R507, CO2, при сжатии пара в компрессорной системе. В случае схемы ORC для такой конфигурации рекомендуется использовать факторы, чей пар перегревается на выходе из турбинной системы. К таким факторам относится, например, фактор HFE7100. Преимуществом этой конфигурации является использование коэффициента перегрева на выходе турбины в установке ORC и компрессора в цикле охлаждения, поскольку это позволяет получить необходимый нагрев для нужд, связанных с работой абсорбционного контура. Модель дополнительно включает в себя систему охлаждения LiBr-H2O для тепла, получаемого от систем отопления.

Рис. 3. Система тригенерации, позволяющая увеличить восстановление полезного холода

Тепловая схема, показанная на рисунке 3, послужила основой для концепции системы отопления для Исследовательского центра Польской академии наук в Яблонне под Варшавой. Указанная система со временем претерпела такие изменения, что позволило сделать ее исследовательские возможности более гибкими за счет использования коммерческих решений (рис. 4). В CB PAN в Яблонне для этой цели использовался тепловой насос Mayekawa Eco Cute "unimo W / W" в качестве одной из систем кондиционирования воздуха и отопления и абсорбционной системы Yazaki для управления отходящим теплом.

Рис. 4. Одна из окончательных концепций систем для производства электроэнергии, кондиционирования и отопления, предложенная в CB PAS в Яблонне под Варшавой

Работа гибридной системы в переходных условиях

Проведя теоретическое исследование гибридного цикла ORC и тепловых насосов, была сформулирована модель, описывающая его динамику. Динамика одновременного производства холода и полезного тепла в системе тригенерации не изучалась ни теоретически, ни экспериментально. Ниже представлена ​​собственная модель связанной системы ORC с левой циркуляцией в соответствии с конфигурацией, показанной на рисунке 2. [11]. В то же время предполагалось, что:

• левый поворотный компрессор напрямую подключен к орбитальной турбинной системе ORC,
• левый и правобережный циркуляционный конденсатор работали при температуре 70 ° C для отопления.

В модели, представленной позже, использовались рабочие факторы - коэффициент HFE7100 в цикле ORC и R290 в цикле теплового насоса. Оба фактора допускают перегрев на выходе компрессора и турбины. Такой перегрев пара может быть причиной увеличения объема установки (что может не иметь большого значения при такой конфигурации), но также позволяет достичь более высокой температуры через так называемые рекуперация тепла от перегрева для нужд системы отопления. Математические уравнения и подробные допущения для представленных результатов расчета включены в собственную работу [5 ÷ 10].

Формы сигналов на рисунке 5 показывают тепловые потоки в конденсаторах и мощность, полученную от орбитальной турбины ORC, которая подается в компрессорную систему. Температуры в характерных точках холодильной системы и орбитального контура ORC для запуска устройства показаны на рисунках 6 и 7. Время нарастания определялось при условии, что выходной сигнал системы достигает от 10 до 90% от этого установившегося сигнала. Предполагалось, что устойчивое состояние достигается, когда колебания не превышают 2% от значения принятой настройки регулятора. Для теплового потока в охлаждающем конденсаторе (рис. 5а) время нарастания составило 2323 с. Устойчивое состояние было достигнуто через 3112 с, минимальное значение полученной мощности было 27654 Вт, а максимальное значение - 29261 Вт. Для теплового потока в конденсаторе ORC (рис. 5b) время нарастания составило 1740 с. Устойчивое состояние было достигнуто через 2596 с, минимальное значение мощности составило 18048 Вт, а максимальное значение 20149 Вт. В свою очередь для микротурбинной системы (рис. 5c) время нарастания составило 2112 с. достигается через 2968 с, с минимальным значением 4593 Вт и максимальным значением 5181 Вт.

Рис. 5. Результаты расчета теплового потока: а) тепловой поток в охлаждающем конденсаторе; б) тепловой поток в нагревательном конденсаторе; в) мощность, подаваемая на компрессор холодильного цикла

Для температуры конденсации холодильного цикла (рис. 6а) время нарастания составило 224 с. Устойчивое состояние было достигнуто через 1743 с, минимальное значение температуры составляло 64 ° С, а максимальное - 73 ° С. Для температуры конденсации ORC (рис. 7б) время нарастания составило 648 с. Устойчивое состояние было достигнуто через 7933 с, тогда как в стационарном состоянии минимальное значение температуры составляло 55 ° C, а максимальное значение составляло 83 ° C.

Рис. 6. Температурные тренды в характерных точках теплового насоса: а) температура в конденсаторе теплового насоса; б) температура в испарителе теплового насоса; в) температура на выходе из форсунок компрессора

Рис. 7. Температурные тренды в характерных точках тренажерного зала ORC. а) температура в испарителе ОРЦ; б) температура в конденсаторе ОРЦ; в) температура на выходе из турбины ORC

Изменение параметров в течение 1450 с было вызвано изменением потока мощности, подаваемого из турбины ORC в систему компрессора холодильного оборудования.

суммирование

Системы тепловых насосов могут быть интегрированы в системы отопления и охлаждения, что повышает эффективность этих систем. При проведении анализа для стационарных состояний различных концепций циркуляции коммерчески доступные решения следует рассматривать только после первоначального энергетического баланса строящегося здания вместе с предлагаемыми технологиями отопления и кондиционирования воздуха. Это может позволить снизить инвестиционные и эксплуатационные расходы по сравнению со стандартными техническими решениями, предлагаемыми на рынке. Понятия энергетических систем и их балансов для стационарных состояний должны проверяться расчетами в переходных состояниях, поскольку это позволяет определить инерцию систем отопления и кондиционирования и строящегося объекта.

Проведенные динамические расчеты позволяют выявить потенциальные трудности, которые могут возникнуть при работе связанной когенерационной системы ORC с системой охлаждения. Изменение тепловой нагрузки конденсатора в холодильном цикле вызывает изменения температуры в процессе конденсации в контуре ORC. Явление взаимозависимости температурных параметров и тепловых потоков в конденсаторах может быть связано с недостаточной стабильностью системы управления при работе системы, связанной с ORC, с левой циркуляцией.

Доктор Инь. Роберт МАТЫСКО
Институт жидкостных машин
Польская Академия Наук

Литература:

[1] BRASZ JJ, BIEDERMANN BP: Комбинированные циклы ранга и сжатия пара. Перевозчик Корпорация US6. 892. 522 B2. , 2005.

[2] WANG H., PETERSON R., HARADA K., MILLER E., INGRAM-GOBLE R: Эффективность комбинированного цикла органического ранкина и пара. Школа машиностроения, промышленного и производственного машиностроения ( http://ir.library.oregonstate.edu/xmlui/ Ручка / 1957/21693).

[3] JEONGA J., KANGB YT: Анализ цикла охлаждения паровой турбиной с хладагентом. Международный журнал холода. 27 (2004). 33-41.

[4] HORLOCK JH: когенерация: тепло и мощность. Термодинамика и экономика. Пергамон Пресс. Оксфорд. 1987.

[5] MATYSKO R.: Переходная модель идеального цикла охлаждения. ТЕПЛОВАЯ конференция. Рин. , 2011.

[6] МАТЫСКО Р.: Динамическая модель рекуперации тепла из холодильного цикла. Охлаждение и кондиционирование. 5/2011.

[7] МАТЫСКО Р.: Динамическая модель процесса рекуперации тепла из холодильного цикла. Охлаждение и кондиционирование. 3/2011.

[8] МАТЫСКО Р.: Динамика рекуперации тепла в холодильном цикле. Охлаждение. Сигма- Нет. 3/2013.

[9] MATYSKO R.: Контроль параметров рекуперации тепла из холодильной системы. Издание доб. IMP PAN. Arch.: 356/2010. Гданьский. , 2010.

[10] MATYSKO R .: Динамическая модель 1D для охлаждения перегретого пара и конденсации. Издание доб. IMP PAN. Arch.: 813/2010. Гданьский. , 2010.

[11] Матиско Р., MIKIELEWICZ, J.: Переходная модель комбинированного цикла микрокогенерации и теплового насоса. Процедуры 1-го Международного конгресса по термодинамике. Познань. Польша. 4-7 сентября 2011 г.

Похожие