8906

10

их работы внутри одного корпуса. Газотурбинная установка условно делится на три области: область компрессора, в которой происходит забор и сжатие воздуха; камера сгорания, в которую подается сжатый воздух и топливо, и впоследствии осуществляется сжигание газо-воздушной смеси; турбина, где тепловая энергия дымовых газов (температура достигает 1500ºС) преобразуется в механическую работу на лопатках соединенных с валом. Как и в паровой турбине, вращательное движение ротора турбины передается на вал электрогенератора (рис 3).

Рис. 3. Схематичное сравнение паровой и газовой турбин.

Газопоршневые электростанции

В последнее время наряду с газовыми и паровыми турбинами широкое применение находят электростанции контейнерного исполнения на базе газопоршневых генераторов с использованием оборудования фирмы «Катерпилляр», которые являются автономными постоянными и резервными источниками электроэнергии. Газопоршневые генераторные установки могут использоваться для выработки как электрической, так и тепловой энергии за счет утилизации теплоты газового двигателя.

Рис. 4. Общий вид биогазовой генераторной устнановки поршневого типа

Caterpillar G3516E

Такие установки называют когенерационными, т.е представляют собой оборудование для комбинированного производства теплоты и электроэнергии.

Главным топливом бывает природный газ, но все чаще применяются и альтернативные виды топлива, прежде всего различные виды биогаза.

11

Биогаз оказался эффективным видом топлива для когенерационных установок. В установках малой мощности применяются преимущественно поршневые двигатели внутреннего сгорания, приспособленные для сжигания газового топлива.

Дизельные электрические станции

В последние годы получили широкое распространение дизельные электростанции мощностью от 4,5 до 150 МВт с применением автоматизированных малооборотных двухтактных крейцкопфных дизелей с турбонаддувом и электрогенераторов на напряжение 6 или 10 кВ, частотой переменного тока 50 или 60 Гц.

Данные дизель-генераторы стабильно работают на тяжелом топливе вязкостью до 700 cG при 50 ° С с содержанием серы до 5 %, могут также работать на любом газообразном топливе в двухтопливном режиме (в смеси не менее 8 % нефтяного топлива), при этом выход электрической энергии составляет около 50 % энергии сгоревшего топлива, имеется возможность повышения КПД установки за счет утилизации теплоты отработавших газов, эксплуатируются без снижения эффективности в различных климатических условиях, срок службы агрегатов составляет до 40 лет при выдаче электроэнергии около 8500 ч ежегодно.

2.3.3.Солнечная энергетика

Спозиции возобновляемых источников энергии, Солнце является первоисточником большинства из рассматриваемых видов: непосредственно солнечная радиация, ветер (ветряная энергетика), теплота грунта (геотермальная энергетика), энергия движения воды и т.д. Поэтому во избежание путаницы в дальнейшем под солнечной энергетикой будем понимать только энергию солнечного света, которая основана на преобразовании электромагнитного излучения в электрическую или тепловую энергию.

Примеры рассматриваемых на занятиях схем:

Рис. 5. Схема преобразования солнечной энергии в электрическую энергию

13

Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Основным элементом вакуумного коллектора является вакуумная трубка. Она состоит из двух стеклянных труб (одна трубка вставлена в другую с большим диаметром). Внешняя труба выполнена из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла. Внутренняя труба также сделана из прозрачного боросиликатного стекла, покрытого специальным селективным нанопокрытием, которое обеспечивает максимальное поглощение тепла при минимальном отражении. Во избежание кондуктивных и конвективных теплопотерь из пространства между двумя трубами выкачан воздух и создан вакуум. Для поддержания вакуума между двумя стеклянными трубами используется бариевый газопоглотитель (такой же, как в телевизионных трубках).

Рис. 8. Устройство вакуумной трубки.

Наибольшее распространение получили три типа вакуумных коллекторов:

1)трубчатый вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде;

2)вакуумный коллектор с прямой теплопередачей воде и встроенным теплообмен-

ником;

3)вакуумный коллектор с термотрубками.

2.3.4 Раздел 4: Ветряная энергетика

Первоисточником для возникновения ветра является тепловая энергия Солнца. Воздух, нагреваясь возле поверхности земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности земли во времени и пространстве приводит к возникновению атмосферной циркуляции. Скорость ветра увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения

14

резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра.

Примеры рассматриваемых на занятиях схем:

Рис. 9. Схема получения электроэнергии из энергии ветра для бытового потребления.

Рис. 10. Сравнение ветрогенераторов с вертикальной и горизонтальной осями вращения.

Как и солнечная энергетика, ветряная энергетика постоянно развивается, и новые модификации ветроэлектрических установок появляются с завидной периодичностью. Вместе с тем высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями, необходимость развитой инфраструктуры и шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду (последний из этих пунктов является предметом многочисленных споров) не позволяют полностью вытеснить традиционные способы получения энергии. Однако занять определенную нишу в данной области ветроэнергетике вполне по силам.

15

2.3.5 Раздел 5: Тепловые насосы

Если задаться вопросом, какой из возобновляемых источников энергии самый популярный, то еще не известно выйдет ли на первый план солнечная энергетика, поскольку в последнее время огромное распространение получили низкопотенциальные источники теплоты – тепловые насосы.

Примеры рассматриваемых на занятиях схем:

Рис. 11. Схема работы компрессионного теплового насоса.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе складывается иная ситуация. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Наряду с солнечными коллекторами тепловые насосы все чаще появляются на страницах русифицированных каталогов компаний по производству различного теплотехнического оборудования. Более того – есть уже весьма успешные реализованные проекты по применению тепловых насосов на территории нашей страны. Определенно эта технология имеет огромные перспективы, несмотря на достаточно высокую базовую стоимость оборудования, во многом за счет индивидуальных потребителей, которые хотят создавать энергоэффективные и независимые системы энергоснабжения для своих сооружений.

2.3.5 Раздел 6: Комбинированные источники

Примеры комбинированных источников

16

Далеко не всегда требуются огромные мощности, вырабатываемые ветрогенераторами. Так, например, для автономного освещения уличного фонаря достаточно небольшого ветрогенератора или солнечной панели или их комбинации (рис.12).

Рис. 12. Автономный фонарь: слева компания «Амира», справа компания «Оптилайт».

Примерный перечень вопросов:

Введение в дисциплину Основные принципы работы автономных системами энергообеспечения

Область применения. Нормативная база. Тепловые нагрузки. Технико-экономические расчеты обоснования.

Системы горячего водоснабжения от автономных теплогенераторов. Выбор объемно-планировочных и конструктивных решений. Системы автономного электроснабжения.

Выбор генератора электрической энергии, работающего на различных видах топлива. Получение электрической и тепловой энергии из энергии солнечного излучения. Солнечные батареи (фотовольтаика).

Солнечные коллекторы плоского типа. Солнечные коллекторы вакуумного типа. Ветряки с горизонтальной осью вращения. Ветряки с вертикальной осью вращения. Тепловые насосы "грунт-вода". Тепловые насосы "вода-вода".

Тепловые насосы "воздух-вода". Иные источники энергии.

Комбинированные источники энергии промышленных потребителей. Комбинированные источники энергии индивидуальных бытовых потребителей. Совместная работа солнечной и ветряной энергии и тепловых насосов. Совместная работа солнечной и ветряной энергии и тепловых насосов.

Проект "Умный дом".

17

3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям

2.1Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям

Входе подготовки к практическим занятиям необходимо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, а также с новыми публикациями в периодических изданиях: журналах, газетах и т.д. с учетом рекомендаций преподавателя и требования учебной программы.

При подготовке к занятиям можно также подготовить краткие конспекты по вопросам темы. Также важно самостоятельно решать пройденные на занятиях задачи во время подготовки, для выработки соответствующих навыков.

Своевременное и качественное выполнение самостоятельной работы базируется на соблюдении настоящих рекомендаций и изучении рекомендованной литературы. Студент может дополнить список использованной литературы современными источниками, не представленными в списке рекомендованной литературы, и в дальнейшем использовать собственные подготовленные учебные материалы при написании курсовых и дипломных работ.

Пример практического занятия с использованием тепловых насосов

1.1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме (где Т-температура, S- энтропия) представлен на рисунке 1.1.

Точка 1 на схеме соответствует состоянию сухого насыщенного пара, образовавшегося в результате полного испарения жидкой фазы хладагента в испарителе теплового насоса. Далее происходит сжатие хладагента в компрессоре (процесс 1-2), при этом давление и температура хладагента резко повышаются. Перегретый пар в состоянии 2 с достаточно высокой температурой подается в конденсатор, где сначала охлаждается по изобаре до сухого насыщенного состояния и затем конденсируется до жидкого состояния (точка 3), отдавая при этом суммарную тепловую энергию, величина которой равна сумме энергии, полученной при кипении хладагента в испарителе, и энергии, эквивалентной работе сжатия хладагента в реальном компрессоре. Затем жидкий хладагент проходит через дросселирующий клапан, при этом снижается давление и, соответственно, температура хладагента (процесс 3-4). Процесс дросселирования проходит практически адиабатно, поэтому с большой точностью процесс 3-4 считают изоэнтальпийным. При этом хладагент частично испаряется. Далее хладагент (с температурой ниже, чем у низкопотенциального источника) поступает в испаритель, где кипит, отбирая теплоту от низкопотенциального источника (процесс 4-1).

18

Рис. 1.1 Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме

1-2 сжатие в компрессоре; 2-3 отвод тепла к потребителю; 3-4 расширение через дроссель; 4-1 подвод тепла от низкопотенциального источника.

1.2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССИОНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса представлена на рис. 1.2.

Рис.1.2 Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса

В основу принципа действия компрессионного теплового насоса положены два физических явления:

19

-явление поглощения и выделения теплоты веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

-изменение температуры испарения и конденсации при изменении давления;

-использование жидкостей, имеющих низкую температуру кипения.

Основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник-испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель.

Тепловой насос работает следующим образом:

1.В теплонасосных установках существует 3 основных контура – внешний (первичный), внутренний и отопительный (вторичный). Внешний контур - это конструкции, с помощью которых можно отобрать теплоту из окружающей среды. В зависимости от источника теплоты это может быть водяной, земляной, воздушный и другие внешние контуры (в основном представляет собой трубопроводы, по которым циркулирует теплоноситель – жидкость, имеющую низкую температуру замерзания, «антифриз»). Температура теплоносителя на входе в этот контур должна быть меньше температуры окружающей среды. Теплоноситель, проходя по внешнему контуру, нагревается на несколько градусов, забирая теплоту от низкопотенциального источника тепла (грунт, воздух, водоём и т.д). Далее он поступает в испаритель.

2.В испарителе теплоноситель («антифриз»), отдает собранное из окружающей среды тепло хладагенту, который циркулирует во внутреннем контуре теплового насоса. (Температура теплоносителя выше температуры хладагента, за счет чего и происходит передача тепла). Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, закипает и превращается из жидкого состояния в газообразное. Этот процесс происходит при низком давлении.

3.Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и его температура резко повышается.

4.Далее нагретый хладагент в газообразном состоянии поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим хладагентом и теплоносителем (рабочая жидкость системы отопления, например, вода) из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5.При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, и, соответственно, понижается его температура. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, лишь частично испаряясь. Затем хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

1.3. КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ (ПРЕОБРАЗОВАНИЯ) ТЕПЛОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Как и холодильная машина, тепловой насос (ТН) потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса (или COP — от английского Coefficient of performance) - отношение теплопроизводительности к электропотреблению - зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, т.е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт теп-