Повышение эффективности работы теплонасосной установки при отборе низкопотенциальной геотермальной энергии для систем отопления
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 8
1 СОСТОЯНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ 11
1.1 Природно-климатическая характеристика области 11
1.2 Возможность использования в энергетике Челябинской области
возобновляемых источников энергии 11
2 ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ - ТЕОРИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ
2.1 Теория и конструкции ТН 17
2.2 Основные элементы конструкции 26
2.3 Схемы подключения ТН 27
2.4 Опыт использования ТН в России и за рубежом 28
2.4.1 Опыт Швеции 28
2.4.2 Опыт Германии 29
2.4.3 Опыт США 29
2.4.5 Опыт Японии 30
2.4.6 Опыт СССР и России 31
3 ВЫБОР ИСТОЧНИКА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ТНУ
3.1 Классификация источников низкопотенциальной энергии 37
3.2 Выбор типа ТНУ 38
3.2.1 Воздушные теплообменники 38
3.2.2 Водяные теплообменники 39
3.2.3Грунтовые теплообменники 40
3.3 Оценка низкопотенциальной тепловой энергии земли на Южном
Урале 41
4 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
ЦЕЛЕЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
4.1 Характеристика объекта теплоснабжения 44
4.2 Расчет теплопотерь объекта 45
4.3.1 Выбор компрессора 47
4.3.2 Расчет испарителя 47
4.3.3 Расчет конденсатора 51
4.3.4 Расчет горизонтального зонда 53
4.3.5 Расчет вертикального U-образного зонда 54
5 СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА 56
5.1 Турбулизация потока 57
5.2 Изменение конструкции теплообменного аппарата 59
6 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ВВЕДЕНИЕ 8
1 СОСТОЯНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ 11
1.1 Природно-климатическая характеристика области 11
1.2 Возможность использования в энергетике Челябинской области
возобновляемых источников энергии 11
2 ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ - ТЕОРИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, ОСОБЕННОСТИ
2.1 Теория и конструкции ТН 17
2.2 Основные элементы конструкции 26
2.3 Схемы подключения ТН 27
2.4 Опыт использования ТН в России и за рубежом 28
2.4.1 Опыт Швеции 28
2.4.2 Опыт Германии 29
2.4.3 Опыт США 29
2.4.5 Опыт Японии 30
2.4.6 Опыт СССР и России 31
3 ВЫБОР ИСТОЧНИКА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ТНУ
3.1 Классификация источников низкопотенциальной энергии 37
3.2 Выбор типа ТНУ 38
3.2.1 Воздушные теплообменники 38
3.2.2 Водяные теплообменники 39
3.2.3Грунтовые теплообменники 40
3.3 Оценка низкопотенциальной тепловой энергии земли на Южном
Урале 41
4 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
ЦЕЛЕЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
4.1 Характеристика объекта теплоснабжения 44
4.2 Расчет теплопотерь объекта 45
4.3.1 Выбор компрессора 47
4.3.2 Расчет испарителя 47
4.3.3 Расчет конденсатора 51
4.3.4 Расчет горизонтального зонда 53
4.3.5 Расчет вертикального U-образного зонда 54
5 СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА 56
5.1 Турбулизация потока 57
5.2 Изменение конструкции теплообменного аппарата 59
6 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
Энергия является основой обеспечения необходимых условий существования жизнедеятельности и развития человечества, уровня его материального и экономического благополучия, а также определяет взаимоотношения общества с окружающей средой.
Важнейшие факторы, определяющие объемы потребления первичных энергоресурсов (ПЭР) - это темпы экономического развития, численность населения, динамика роста мировых цен на ПЭР (в первую очередь, нефть), а также уровень развития энергоэффективной политики. В таблице 1 приведены прогнозные оценки потребления ПЭР за 2006-2030 гг. по основным регионам, а также в мире в целом [10].
Таблица 1 - Динамика потребления ПЭР по основным регионам за период 2006 - 2030 г.г. (в млн т.у.т)
Регионы 2006 2010 2015 2020 2025 2030
Северная
Америка 4366,8 4360 4530 4700 4880 5100
Азия 5626,8 6420 7370 8350 9280 10220
Европа 4762,8 4900 5120 5330 5430 5580
Ближний
Восток 856,8 990 1090 1150 1240 1350
Африка 522,0 590 630 680 740 780
Центральная и Южная
Америка 871,2 1020 1090 1170 1260 1350
Мир в целом 17006,4 18280 19830 21380 22830 24380
Как можно увидеть из таблицы, потребление энергоресурсов к 2030 году увеличится на 43%. При этом основную часть ПЭР составляют энергоресурсы органического происхождения. В ближайшее время доминирующее положение в структуре потребления ПЭР так и останется за энергоресурсами органического происхождения. Это связано с тем, что в ближайшее время замещение энергоресурсов органического происхождения будет происходить очень медленными темпами.
Таблица 2 - Структура ПЭР за период 2006 - 2030 г.г. (в млн т.у.т./%) [10]
Показатели 2006 2010 2020 2030
Потребление ПЭР всего 17006,4/100 18280/100 21380/100 24380/100
Нефть 6204,4/36,5 6285,0/34,4 6990,0/32,7 7760,0/31,8
Газ 3890,5/22,9 4260,0/23,3 5100,0/23,9 5680,0/23,3
Уголь 4588,0/26,9 5055,0/27,7 5820,0/27,2 6840,0/28,1
Атомная энер
гия 1000,0/5,9 1040,0/5,7 1210,0/5,7 1440,0/5,9
ВИЭ 1322,8/7,8 1640,0/9,0 2260,0/10,5 2660,0/10,9
Из таблицы 2 видно, что доля энергоресурсов органического происхождения постепенно снижается и их место занимают возобновляемые источники энергии (увеличение с 7,8% до 10,9% в общемировой структуре ПЭР).
Производство электроэнергии в нашей стране.
В 2017 г. выработка электроэнергии электростанциями России, включая производство электроэнергии на электростанциях промышленных предприятий, составила 1 073,7 млрд кВтч (по ЕЭС России - 1 053,9 млрд кВтч).
Увеличение к объему производства электроэнергии в 2017 г. составило 0,2 % таблица 3, в том числе:
ТЭС - 622,4 млрд кВтч (снижение на 1,0 %);
ГЭС - 187,4 млрд кВтч (увеличение на 0,4 %);
АЭС - 202,9 млрд кВтч (увеличение на 3,3 %);
электростанции промышленных предприятий - 60,3 млрд кВтч (увеличение на 0,9 %).
Таблица 3 - Баланс электрической энергии за 2017 г., млрд кВтч [38,40]
2016 2017 Изменение, %
Выработка электроэнергии, всего 1 071,90 1 073,70 +0,2
в т.ч.:
ТЭС 628,50 622,40 -1,0
ГЭС 186,70 187,40 +0,4
АЭС 196,40 202,90 +3,3
ВИЭ 0,61 0,69 +13,1
Электростанции промышленных предприятий 59,80 60,30 +0,9
Потребление электроэнергии 1054,60 1059,70 +0,5
Как можно заметить из таблицы 3 доля возобновляемых источников энергии в общей структуре в нашей стране составляет всего 0,69%. Этот показатель является очень низким на фоне общемировой структуры. В первую очередь это связано с низкой развитостью этого направления в нашей стране. Лишь в последние годы возобновляемые источники энергии начали привлекать к себе внимание, по большей части, из-за своих экономических и экологических эффектов. После 2000 года из-за ухудшения экологической обстановки, уменьшения природных ресурсов и других не менее важных факторов, стало очевидно, что необходимо развивать альтернативные источники, вырабатывающие энергию. В нашей стране возобновляемым источникам энергии тяжело бороться с традиционными видами энергоресурсов.
Для России возобновляемая энергетика представляет наибольший интерес как средство освоения пространства и территориального развития. Причем наиболее перспективной областью применения ВИЭ являются изолированные и удаленные энергорайоны.
Львиную долю в стране занимает производство энергии на нужды теплоснабжения, это связано с особенностями климата. Так, например, в Челябинской области отопительный период в среднем составляет 218 суток. При этом температура холодных пятидневок за последние 50 лет составляет -34оС. Затраты на теплоснабжение колоссальны. В нашем регионе зачастую применяется централизованное теплоснабжение от крупных объектов: ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 в г. Челябинске, Троицкая ГРЭС, Южноуральская ГРЭС. Данные источники производства тепловой и электрической энергии являются основными загрязнителями окружающего воздуха. Помимо экологического эффекта, существует и экономический. Тарифы на тепловую энергию повышаются ежегодно. На данный момент тариф на 1 Гкал тепловой энергии составляет 1443,29 рублей, к 2020 году увеличится до 1536,15 рублей [39].
Что уже говорить о населенных пунктах, которые находятся вдалеке от крупных городов. Там тарифы на тепловую энергию еще выше. Это связано с применением объектов малой энергетики, а также с отсутствием конкуренции.
С развитием возобновляемых источников энергии, появляются новые пути решения этих вопросов. В некоторых отдаленных населенных пунктах появляется возможность применять «чистую энергетику». Речь идет о тепловых насосах. Тепловой насос призван заменить традиционные способы производства тепловой энергии [11].
Важнейшие факторы, определяющие объемы потребления первичных энергоресурсов (ПЭР) - это темпы экономического развития, численность населения, динамика роста мировых цен на ПЭР (в первую очередь, нефть), а также уровень развития энергоэффективной политики. В таблице 1 приведены прогнозные оценки потребления ПЭР за 2006-2030 гг. по основным регионам, а также в мире в целом [10].
Таблица 1 - Динамика потребления ПЭР по основным регионам за период 2006 - 2030 г.г. (в млн т.у.т)
Регионы 2006 2010 2015 2020 2025 2030
Северная
Америка 4366,8 4360 4530 4700 4880 5100
Азия 5626,8 6420 7370 8350 9280 10220
Европа 4762,8 4900 5120 5330 5430 5580
Ближний
Восток 856,8 990 1090 1150 1240 1350
Африка 522,0 590 630 680 740 780
Центральная и Южная
Америка 871,2 1020 1090 1170 1260 1350
Мир в целом 17006,4 18280 19830 21380 22830 24380
Как можно увидеть из таблицы, потребление энергоресурсов к 2030 году увеличится на 43%. При этом основную часть ПЭР составляют энергоресурсы органического происхождения. В ближайшее время доминирующее положение в структуре потребления ПЭР так и останется за энергоресурсами органического происхождения. Это связано с тем, что в ближайшее время замещение энергоресурсов органического происхождения будет происходить очень медленными темпами.
Таблица 2 - Структура ПЭР за период 2006 - 2030 г.г. (в млн т.у.т./%) [10]
Показатели 2006 2010 2020 2030
Потребление ПЭР всего 17006,4/100 18280/100 21380/100 24380/100
Нефть 6204,4/36,5 6285,0/34,4 6990,0/32,7 7760,0/31,8
Газ 3890,5/22,9 4260,0/23,3 5100,0/23,9 5680,0/23,3
Уголь 4588,0/26,9 5055,0/27,7 5820,0/27,2 6840,0/28,1
Атомная энер
гия 1000,0/5,9 1040,0/5,7 1210,0/5,7 1440,0/5,9
ВИЭ 1322,8/7,8 1640,0/9,0 2260,0/10,5 2660,0/10,9
Из таблицы 2 видно, что доля энергоресурсов органического происхождения постепенно снижается и их место занимают возобновляемые источники энергии (увеличение с 7,8% до 10,9% в общемировой структуре ПЭР).
Производство электроэнергии в нашей стране.
В 2017 г. выработка электроэнергии электростанциями России, включая производство электроэнергии на электростанциях промышленных предприятий, составила 1 073,7 млрд кВтч (по ЕЭС России - 1 053,9 млрд кВтч).
Увеличение к объему производства электроэнергии в 2017 г. составило 0,2 % таблица 3, в том числе:
ТЭС - 622,4 млрд кВтч (снижение на 1,0 %);
ГЭС - 187,4 млрд кВтч (увеличение на 0,4 %);
АЭС - 202,9 млрд кВтч (увеличение на 3,3 %);
электростанции промышленных предприятий - 60,3 млрд кВтч (увеличение на 0,9 %).
Таблица 3 - Баланс электрической энергии за 2017 г., млрд кВтч [38,40]
2016 2017 Изменение, %
Выработка электроэнергии, всего 1 071,90 1 073,70 +0,2
в т.ч.:
ТЭС 628,50 622,40 -1,0
ГЭС 186,70 187,40 +0,4
АЭС 196,40 202,90 +3,3
ВИЭ 0,61 0,69 +13,1
Электростанции промышленных предприятий 59,80 60,30 +0,9
Потребление электроэнергии 1054,60 1059,70 +0,5
Как можно заметить из таблицы 3 доля возобновляемых источников энергии в общей структуре в нашей стране составляет всего 0,69%. Этот показатель является очень низким на фоне общемировой структуры. В первую очередь это связано с низкой развитостью этого направления в нашей стране. Лишь в последние годы возобновляемые источники энергии начали привлекать к себе внимание, по большей части, из-за своих экономических и экологических эффектов. После 2000 года из-за ухудшения экологической обстановки, уменьшения природных ресурсов и других не менее важных факторов, стало очевидно, что необходимо развивать альтернативные источники, вырабатывающие энергию. В нашей стране возобновляемым источникам энергии тяжело бороться с традиционными видами энергоресурсов.
Для России возобновляемая энергетика представляет наибольший интерес как средство освоения пространства и территориального развития. Причем наиболее перспективной областью применения ВИЭ являются изолированные и удаленные энергорайоны.
Львиную долю в стране занимает производство энергии на нужды теплоснабжения, это связано с особенностями климата. Так, например, в Челябинской области отопительный период в среднем составляет 218 суток. При этом температура холодных пятидневок за последние 50 лет составляет -34оС. Затраты на теплоснабжение колоссальны. В нашем регионе зачастую применяется централизованное теплоснабжение от крупных объектов: ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 в г. Челябинске, Троицкая ГРЭС, Южноуральская ГРЭС. Данные источники производства тепловой и электрической энергии являются основными загрязнителями окружающего воздуха. Помимо экологического эффекта, существует и экономический. Тарифы на тепловую энергию повышаются ежегодно. На данный момент тариф на 1 Гкал тепловой энергии составляет 1443,29 рублей, к 2020 году увеличится до 1536,15 рублей [39].
Что уже говорить о населенных пунктах, которые находятся вдалеке от крупных городов. Там тарифы на тепловую энергию еще выше. Это связано с применением объектов малой энергетики, а также с отсутствием конкуренции.
С развитием возобновляемых источников энергии, появляются новые пути решения этих вопросов. В некоторых отдаленных населенных пунктах появляется возможность применять «чистую энергетику». Речь идет о тепловых насосах. Тепловой насос призван заменить традиционные способы производства тепловой энергии [11].
По результатам проведенного исследования были выполнены следующие задачи:
1 Сделан обзор потенциала возобновляемой энергетики для Челябинской области
2 Обоснована возможность использования теплонасосных установок в системах отопления на примере рассмотрения опыта зарубежных стран и применения ТНУ в России
3 Подобран тепловой насос для системы отопления для объекта детско- спортивного клуба
4 Рассчтаны элементы теплонасосной установки, были выбраны пластинчатые теплообменники фирмы Ридан в качестве теплообменника-испарителя и теплообменника-конденсатора. Был подобран компрессор фирмы Bitzer
5 Обоснованы мероприятия по повышению эффективности отбора тепловой энергии.
6 Рассмотрены способы интенсификации теплообмена, а именно турбулизация поток с применением турбулизаторов-завихрителей.
В конце работы произведен расчет экономической эффективности использования теплого насоса в системе отопления детского спортивного комплекса, произведена оценка затрат за отопительный период и выявлена экономия.
1 Сделан обзор потенциала возобновляемой энергетики для Челябинской области
2 Обоснована возможность использования теплонасосных установок в системах отопления на примере рассмотрения опыта зарубежных стран и применения ТНУ в России
3 Подобран тепловой насос для системы отопления для объекта детско- спортивного клуба
4 Рассчтаны элементы теплонасосной установки, были выбраны пластинчатые теплообменники фирмы Ридан в качестве теплообменника-испарителя и теплообменника-конденсатора. Был подобран компрессор фирмы Bitzer
5 Обоснованы мероприятия по повышению эффективности отбора тепловой энергии.
6 Рассмотрены способы интенсификации теплообмена, а именно турбулизация поток с применением турбулизаторов-завихрителей.
В конце работы произведен расчет экономической эффективности использования теплого насоса в системе отопления детского спортивного комплекса, произведена оценка затрат за отопительный период и выявлена экономия.
Подобные работы
- Повышение эффективности работы теплонасосной установки при отборе низкопотенциальной геотермальной энергии для систем отопления
Дипломные работы, ВКР, электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 4350 р. Год сдачи: 2018 - Повышение эффективности работы теплонасосной установки при отборе
низкопотенциальной геотермальной энергии для систем отопления
Дипломные работы, ВКР, теплоэнергетика и теплотехника. Язык работы: Русский. Цена: 4790 р. Год сдачи: 2018