Economical efficiency of using a diesel-powered electric plant combined with an air heat pump

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В поселках, расположенных в районах, не имеющих централизованного электрического и газового снабжения, проблемы энергообеспечения решаются за счет использования электростанций небольшой мощности на базе тепловых двигателей. Примерами являются районы дальнего Востока и Сибири. Очевидно, что при этом проблема экономии топлива является весьма актуальной, учитывая стоимость его доставки. Решению этой задачи может способствовать применение тепловых насосов (ТН). Тепловые насосы получили широкое распространение в различных отраслях, но главной областью их использования является обеспечение комфортной среды в жилищной сфере: отопление, горячее водоснабжение.

В качестве низкопотенциальных источников теплоты (НПИТ) в системах с ТН используется вода, грунт, воздух и др. Из всех НПИТ наиболее предпочтительным с точки зрения эксплуатации является воздух: он всегда доступен, нетоксичен, практически ничего не стоит, легко транспортируется. В последнее время интерес к использованию воздуха в качестве НПИТ значительно вырос. Это связано с возросшим применением за рубежом воздушных ТН для отопления в регионах с низкими температурами окружающей среды. Сбыт таких ТН за несколько лет увеличился на 60% [1].

Для Российской Федерации (РФ) внедрение низкотемпературных воздушных ТН, с учетом длительной продолжительности отопительного периода, также является весьма актуальным [2, 3].

Изменение температур наружного воздуха по месяцам отопительного периода для условий средней полосы РФ показано на рис.1. Отопительный сезон длится 7 месяцев, наиболее холодные дни и наибольшие нагрузки на систему отопления наблюдаются в январе, а наименьшие – в октябре. Минимальная температура в период отопительного сезона равна – 23 °С (январь).

 

Рис. 1. Годовой ход температуры окружающей среды для средней полосы России. / Fig. 1. Annual cycle of temperature tн of Central Russia.

 

Эффективность ТН оценивается коэффициентом преобразования:

$\text{СОР = }\frac{Q}{N_{\text{к}}}$,

где Q – тепловой поток, вырабатываемый ТН, $N_{\text{к}}$ – мощность, затрачиваемая на привод компрессора ТН.

Коэффициент преобразования в большей степени зависит от температуры НПИТ и температуры потребителя, эта зависимость представлена на рис. 2. Как следует из рис. 2, использование в ТН воздуха в качестве НПИТ имеет один существенный недостаток – при пониженной температуре окружающей среды коэффициент преобразования (СОР) сильно снижается, и для поддержания стандартной температуры внутри помещения необходимо использовать дополнительные источники отопления (например, электрический подогрев). Пути повышения коэффициента преобразования воздушных ТН в условиях холодного климата различны – это совершенствование конструктивных схем ТН с целью повышения эффективности [4–7], применение многоступенчатого сжатия в компрессоре теплового насоса [8, 9].

 

Рис. 2. Зависимость коэффициента преобразования от температуры наружного воздуха t₀ при температуре потребителя 60°С. / Fig. 2. Dependence of transformation rate on ambient temperature t₀ at the consumer temperature of 60°C.

 

Целью исследования является повышение экономической эффективности электростанции на базе дизеля с воздушным тепловым насосом в условиях низкой температуре окружающей среды.

В данной работе рассматривается повышение эффективности воздушного ТН, работающего совместно с тепловым двигателем [10]. Для снабжения небольших поселков электроэнергией применяются электростанции на базе ДВС небольшой мощности, например, дизеля.

Тепловой баланс дизеля можно представить в следующем виде:

$Q_T=G_T/3600Q_H^P=Q_{Nе}+Q_{\text{Г}}+Q_W+Q_{М}$, (1)

где $Q_T$ – химическая теплота топлива; $Q_H^P$ – теплотворная способность топлива; $Q_{Nе}$ – теплота (тепловой поток) эквивалентная эффективной мощности дизеля; $Q_{\text{Г}}$ – теплота (тепловой поток) отработавших газов; $Q_W$ – теплота (тепловой поток), отдаваемая в охлаждающую жидкость дизеля; $Q_{М}$ – теплота, отведённая масляной системой дизеля; $G_T$ – часовой расход топлива дизеля.

Доля теплоты топлива, отдаваемая в охлаждающую жидкость и масло, составляет для поршневых двигателей соответственно 0,15–0,20 и 0,04–0,10 от $Q_T$ [11]. На обычной электростанции небольшой мощности из-за сложности системы утилизации вторичные ресурсы дизеля $Q_{\text{Г}}, Q_W, Q_{М}$ не используются.

В качестве примера рассмотрим схему энергообеспечения отдельного поселка, расположенного в удаленной местности с холодным климатом, не имеющей централизованного электрического снабжения с отсутствием газового снабжения (рис. 3). Установка содержит дизель для привода генератора, который предназначен для обеспечения поселка электрической энергией. Это может быть обычная электростанция на базе ДВС, выпускаемая серийно (например, Ярославским моторным заводом). Установка отличается от серийной тем, что в нее включен воздушный ТН, который вырабатывает тепловую энергию для удовлетворения нужд поселка в отоплении и горячем водоснабжении. На привод компрессора теплового насоса используется часть электрической энергии, вырабатываемой генератором. В рассматриваемой схеме наружный воздух, служащий источником низкопотенциального тепла для ТН, продувают через теплообменник (ТО) для охлаждения двигателя $Q_W$ и масла $Q_{М}$. Далее подогретый воздух поступает в испаритель ТН.

 

Рис. 3. Схема ТН с дизельным двигателем: И – испаритель; КМ – компрессор; КО – конденсатор; ПО – переохладитель; ТО – теплообменник; Г – генератор. / Fig. 3. Diagram of the heat pump with a diesel engine: И – an evaporator; KM – a compressor; KO – a condenser; ПО – a sub-cooler; TO – a heat exchanger; Г – a generator.

 

Уравнение теплового баланса в теплообменнике (см. рис. 3) принимает вид:

$G_{\text{В}}(t_{\text{н}1}-t_0){с}_{pm\text{В}}=Q_W+Q_{М}$, (2)

где $(t_{\text{н}1}-t_0)=\Delta t$ – подогрев воздуха в ТО, °С; $G_{\text{В}}$ – расход воздуха, кг/с; ${с}_{pm\text{В}}$ – удельная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°С); $t_{\text{н}1},t_0$ – температуры воздуха на входе и выходе из ТО, °С; $Q_W$ – теплота, отдаваемая в охлаждающую жидкость двигателя кВт; $Q_{М}$ – теплота, отдаваемая в масло, кВт.

Уравнение теплового баланса в испарителе ТН можно записать в форме:

$G_{\text{фр}}{r}_{\text{фр}}=G_{\text{В}}(t_{\text{н}1}-t_{\text{н2}}){с}_{p\text{В}}$, (3)

где $G_{\text{фр}}$ – расход рабочего агента, кг/с; $t_{\text{н2}}$ – температура воздуха на выходе из испарителя ТН, °С; ${с}_{p\text{В}}$ – удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг·К); $r_{\text{фр}}$ – удельная теплота парообразования рабочего агента, кДж/кг.

$G_{\text{фр}}=Q_{\text{ ТН}}/q$, (4)

где $q=q_k+q_{\text{по}}$ – удельный отвод теплоты в конденсаторе ($q_k$) и переохладителе ($q_{\text{по}}$), кДж/кг [12]; $Q_{\text{ТН}}$ – тепловая производительность ТН, кВт.

Расход воздуха находим из (3):

$G_{\text{В}}=\frac{G_{\text{фр}}{r}_{\text{фр}}}{(t_{\text{н}1}-t_{\text{н2}}){с}_{p\text{В}}}$. (5)

Для примера проведем расчет схемы (см. рис. 3). В качестве двигателя принят ЯМЗ АД-60-Т400: мощность $Ne=60$ кВт; КПД – $\eta =\mathrm{0,37}$; частота – 50 Гц; напряжение – 400 В. Тепловой насос компрессионного типа, НПИТ – наружный воздух, хладагент – R600а. Используя выражения (2) – (5), находим подогрев воздуха в теплообменнике $(t_{\text{н}1}-t_0)=\Delta t$ и определяем по [10], коэффициенты преобразования без подогрева и с учетом подогрева наружного воздуха.

При этом принято: $Q_W=\mathrm{0,19}{Q}_T$ – теплота (тепловой поток) отдаваемая в охлаждающую воду; $Q_M=\mathrm{0,06}{Q}_T$ – теплота (тепловой поток) отдаваемая в масло; химическая теплота топлива

$Q_T=\frac{Q_{Nе}}{\eta }=\frac{60}{\mathrm{0,37}}=162$ кВт.

Результаты расчета коэффициента преобразования ТН без подогрева и с подогревом воздуха на входе в испаритель приведены в табл. 1 и на рис. 4.

 

Таблица 1. Результаты расчета коэффициента преобразования ТН без подогрева и с подогревом воздуха на входе в испаритель / Table 1. Calculation results of HP conversion factor without heating and with air heating at the evaporator inlet

t0, °C	-30	-25	-20	-15	-10	-5	0	5	10	15
СОР (без подогрева)	1,23	1,38	1,56	1,75	1,98	2,25	2,56	2,93	3,38	3,93
СОР (с подогревом)	1,56	1,75	1,98	2,25	2,56	2,93	3,38	3,93	4,62	5,52

 

Рис. 4. Коэффициент преобразования в зависимости от температуры наружного воздуха t₀: 1 – с подогревом; 2 – без подогрева. / Fig. 4. Dependence of transformation rate on ambient temperature t₀: 1 – with heating; 2 – without heating.

 

Как следует из полученных данных, подогрев наружного воздуха перед входом в испаритель ТН позволяет существенно повысить СОР и тем самым расширить границы применения воздушных ТН в условиях холодного климата. Рассмотрим, как влияет подогрев на экономичность дизельной установки на следующем примере, в котором из общей мощности ($Ne=60$ кВт) часть электрической мощности ($N\text{д = 50}$ кВт), вырабатываемой генератором двигателя подаётся потребителю, а вторая часть ($N\text{к = 10}$ кВт) идёт на привод компрессора теплового насоса.

В этом случае энергия, отдаваемая потребителю:

$Q=N\text{д}+Q_{\text{ ТН}}$. (6)

Теплота, получаемая в тепловом насосе:

$Q_{\text{ ТН}}=Nк\cdot \eta к\cdot \text{СОР}$.

Здесь $\eta к$ – КПД компрессора ТН.

Результаты расчета тепловой мощности ТН без подогрева и с подогревом воздуха на входе в испаритель даны в табл. 2 и на рис. 5.

 

Таблица 2. Результаты расчета тепловой мощности ТН без подогрева и с подогревом воздуха на входе в испаритель / Table 2. The results of calculating the thermal power of HP without heating and with air heating at the inlet to the evaporator

t0, °C	-30	-25	-20	-15	-10	-5	0	5	10	15
QTH (кВт) без подогрева	9,84	11,04	12,56	14	15,84	18	20,48	23,44	27,04	31,44
QTH (кВт) с подогревом	12,56	14	15,84	18	20,48	23,44	27,04	31,44	36,96	44,16

 

Рис. 5. Тепловая мощность ТН в зависимости от температуры наружного воздуха t₀: 1 – с подогревом; 2 – без подогрева. / Fig. 5. Dependence of heat power of the heat pump on ambient temperature t₀: 1 – with heating; 2 – without heating.

 

Из рис. 5 видно, что тепловая мощность ТН растет с увеличением температуры наружного воздуха. Подогрев воздуха увеличивает $Q_{\text{ ТН}}$ на 27% при низких значениях $t_0$ и на 40% при высоких.

Коэффициент использования топлива (К) установки с подогревом воздуха и без подогрева, в зависимости от $t_0$ равен:

$\text{К}=\frac{Q}{Q_{\text{ Т}}}$.

Результаты расчета коэффициента использования топлива без подогрева и с подогревом воздуха на входе в испаритель даны на рис. 6. Видно, что включение воздушного теплового насоса существенно повышает коэффициент использования топлива установки. Так если КПД дизеля равен 37%, то при работе с ТН эффективность установки увеличивается до 50% (без подогрева воздуха) и с подогревом – до 57%.

 

Рис. 6. Коэффициент использования теплоты топлива в зависимости от температуры наружного воздуха t₀: 1 – с подогревом; 2 – без подогрева. / Fig. 6. Dependence of fuel use rate on ambient temperature t₀: 1 – with heating; 2 – without heating.

 

ВЫВОДЫ

1. Совместная работа дизельной электростанции с воздушным тепловым насосом позволяет не только обеспечить отдельный поселок электричеством, но и снабдить его тепловой энергией для нужд отопления и горячего водоснабжения.
2. При КПД дизельного двигателя равным 37% эффективность установки при температуре наружного воздуха 15 °С (288 К) с ТН увеличивается до 57%.
3. Использование подогрева воздуха на входе в испаритель ТН за счет теплоты охлаждения двигателя и масла увеличивает коэффициент использования топлива на 12–14%.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. М.Ю. Фролов ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; И.И. Шаталова ― редактирование текста рукописи; Д.А. Соколов ― редактирование текста рукописи, создание изображений; К.В. Шкарин ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. M.Y. Frolov ― search for publications, writing the text of the manuscript; I.I. Shatalova ― editing the text of the manuscript; D.A. Sokolov ― editing the text of the manuscript, creating images; K.V. Shkarin ― expert opinion, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Mikhail Y. Frolov

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: frolov-myu@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-2356-6587

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the of Power Engineering Department

Russian Federation, 6 Miklukho-Maclay street, 117198 Moscow

Irina I. Shatalova

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: shatalova_ii@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0001-7302-4247
SPIN-code: 2455-4647
Scopus Author ID: 57200276456
ResearcherId: AAB-3661-2019

Cand. Sci. (Agricult.), Associate Professor of the Innovation Management in Industries Department

Russian Federation, 6 Miklukho-Maclay street, 117198 Moscow

Kirill V. Shkarin

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: shkarin-kv@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-5680-517X
SPIN-code: 4599-9150
Scopus Author ID: 57208439232
ResearcherId: ACZ-2056-2022

Assistant of the of Power Engineering Department

Russian Federation, 6 Miklukho-Maclay street, 117198 Moscow

Dmitriy A. Sokolov

Peoples’ Friendship University of Russia

Author for correspondence.
Email: sokolov-da@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-5175-2219
SPIN-code: 1084-7419
ResearcherId: AFZ-0375-2022

Postraduate Student, Head of Laboratory at the Power Engineering Department

Russian Federation, 6 Miklukho-Maclay street, 117198 Moscow

References

Supplementary files