The innovative research works of the Scientific and Technical Center "Technique of low temperatures"

详细

The paper considers research works of the Scientific and Technical Center "Technique of low temperatures": heat pumps, energy-effective heat-pump distiller, free-motor-compressor.

全文:

Научно-технический центр Техника низких температур (НТЦ ТНТ) был создан в МГУИЭ в 2007 году (приказ № 267, 05.05.2007 г.). Специализация центра – холодильная техника, криогенная техника, низкопотенциальная энергетика. В основе этой техники лежат прямые или обратные термодинамические циклы на низкокипящих рабочих веществах. Работы, выполняемые НТЦ, направлены на создание экономичных и экологических безопасных технических систем, обеспечивающих энергосбережение и работающих на природных рабочих веществах. В арсенале НТЦ ТНТ десять направлений, по которым ведется работа минимально на уровне кандидатских диссертационных работ, выпускных диссертаций магистров, работ студентов-исследователей. Отдельные работы выходят на уровень договорных работ, выполняемых совместно с нашими партнерами в промышленности. Во главе каждого направления стоят квалифицированные специалисты – преподаватели кафедры или выпускники кафедры, кандидаты технических наук, продолжающие сотрудничать с кафедрой. Основные направления работы НТЦ: 1. Теплонасосные установки, работающие на диоксиде углерода. 2. Холодильные машины нового поколения, работающие на аммиаке. 3. Вакуумно-испарительные охладители и льдогенераторы, работающие на воде. 4. Низкотемпературные холодильные системы, работающие на воздухе. 5. Криосистемы для программного замораживания, хранения и сушки материалов. 6. Системы сжижения природного газа. 7. Теплонасосные дистилляторы, опреснители соленой воды. 8. Энергоустановки, утилизирующие низкопотенциальное и вторичное тепло. 9. Абсорбционные термотрансформаторы, работающие на водных растворах аммиака и бромистого лития. 10. Бытовые холодильные приборы, работающие на углеводородах. Фактически эти НИР и ОКР были начаты на кафедре раньше, в 2000 – 2002 годах. В это время проведены исследования в области создания тепловых насосов, работающих на экологически безопасном рабочем веществе – диоксиде углерода (СО2, R744) (рисунок 1). В рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 – 2006 г.г.» совместно с НПФ ЭКИП были разработаны, построены и исследованы первые в нашей стране тепловые насосы на R744 (рисунок 2), разработана документация на тепловой насос большой тепловой мощностью (20 МВт), получены патенты. Сейчас эти работы продолжены в направлении создания тепловых насосов на R744 мощностью не менее 100 МВт для работы в составе АЭС для крупномасштабного теплои водоснабжения потребителя (рисунок 3). КМ – компрессор; ДВ – приводной двигатель; ДТ – детандер; ГО – газоохладитель; РТ – регенеративный теплообменник; И – испаритель; ОЖ – отделитель жидкости; Н – циркуляционный насос жидкого R744; Р1 – дроссель-регулятор высокого давления (“до себя”); Р2 – регулятор подачи жидкого R744 в испаритель; ИНТ – источник низкопотенциальной теплоты; НВ – нагреваемая вода. Рисунок 1 – Обобщенная принципиальная схема и термодинамический цикл газожидкостного теплового насоса (СО2, R744) Рисунок 2 – Тепловой насос малой производительности на СО2 Совместно с ОАО «ВНИИХолодмаш-Холдинг» создан ряд холодильных машин нового поколения, работающих на природном холодильном агенте – аммиаке (NH3, R717), для охлаждения жидких хладоносителей. Получены патенты. За последние пять лет НТЦ ТНТ выполнил работы на сумму более 12 млн. рублей. В настоящее время работы по указанным выше направлениям получают дальнейшее развитие. Привожу аннотации по некоторым новым направлениям, по которым у НТЦ ТНТ и НПФ ЭКИП имеются исследовательские и конструкторские наработки за последние три года. Энергосберегающие теплонасосные дистилляторы, опреснители соленой воды, по нашему мнению, имеют большую перспективу применения. Дальнейшее развитие и совершенствование теплонасосных установок и установок сжижения природного газа, по нашему мнению, связано с применением свободно поршневого двигателя внутреннего сгорания. Рисунок 3 – Система дальнего теплоснабжения от АЭС с помощью тепловых насосов большой единичной мощности Теплонасосный дистиллятор воды Проект: Создание энергоэффективного теплонасосного дистиллятора воды нового типа, в котором генерация тепла и рекуперация теплоты фазовых превращений воды осуществляется с помощью обратного термодинамического цикла теплового насоса на низкокипящем рабочем веществе. Область применения: получение качественной дистиллированной воды медицинского назначения (вода для инъекций). Рисунок 4 — Схема теплонасосного дистиллятора воды: РТ1 – дистиллятный рекуперативный теплообменник; РТ2 – рассольный рекуперативный теплообменник Описание технологии: теплонасосный дистиллятор (ТНД) является новым типом выпарных дистилляторов, в которых генерация и рекуперация теплоты фазовых превращений воды осуществляется с помощью обратного термодинамического цикла теплового насоса на низкокипящем рабочем веществе (Патент РФ №2363662 «Теплонасосный опреснитель солёной воды (варианты)»). ТНД представляет собой два сопряженных контура – разомкнутый дистилляционный контур и замкнутый контур теплового насоса (ТН), в котором реализуется термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе. «Тепло» термодинамического цикла в конденсаторе ТН используется для кипения соленой воды, а «холод» в испарителе – для конденсации паров воды. Рекуперация тепла фазовых превращений воды происходит в результате переноса тепла конденсации воды из испарителя (И) в конденсатор (К) ТН за счет подвода извне энергии, потребляемой компрессором. В данной системе возможна реализация дистилляции как при атмосферном давлении, так и при пониженных температурах в условиях вакуума. Преимущества технологии: снижение энергопотребления в 3-4 раза по сравнению с многоступенчатыми выпарными дистилляторами и в 30-40 раз по сравнению с электрическими дистилляторами; экологически безопасный тип опреснителей, не сжигающий топлива для нагрева исходной воды; высокая компактность – 10÷15 м3/м3/ч; низкая металлоёмкость – 1,0÷1,2 тонн/м3/ч. Аналоги: по принципу действия аналоги отсутствуют. Однако среди выпарных существуют дистилляторы: а) многоступенчатые, б) с вакуум компрессором; в) электрические. Состав проведенных работ: выбрано рабочее вещество контура теплового насоса (R123, R600); разработана физическая модель; в рамках НИР исследованы процессы, протекающие в аппаратах ТНД; определен состав базового оборудования; испытаны базовые элементы ТНД; разработана принципиальная схема ТНД; разработана методика расчета ТНД; определены параметры дистилляторов производительностью от 0,2 до 20 т/ч. Предложение: разработка макетного образца теплонасосного дистиллятора малой производительности (10÷50 л/ч) для получения инъекционной воды. Свободнопоршневой двигатель-компрессор Проект: Создание комплексов на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего в качестве компрессора, привода компрессора или генератора, или в комбинированном режиме Области применения: топливно-энергетический комплекс, транспорт, теплонасосные установки. Рисунок 5 – Свободнопоршневой двигатель 1МП120: 1 – остов, 2 – компрессоры, 3 – поршни, 4 – буферные крышки, 5 – механизм пуска, 6 – выхлопные патрубки, 7 – клапаны Описание технологии: двухтактный дизель с противоположно движущимися поршнями. Движение поршней синхронизируется реечно-шестеренчатым механизмом. Свободнопоршневой двигатель может использоваться в двигательном, генераторном или комбинированном режиме. В двигательном режиме вся энергия потребляется на привод компрессора, линейного электрогенератора и т.д. В генераторном режиме вся энергия дизеля тратится на наддув расширительной машины (производство рабочего тела в виде продуктов сгорания). Преимущества технологии: многотопливность (включая альтернативные топлива, сырую нефть, попутные и сбросные газы), динамическая уравновешенность и отсутствие фундамента, отсутствие дымления (сажи), отсутствие ограничений на жесткость и максимальное давление цикла, высокий механический КПД, надежный пуск, в т.ч. при низких температурах. Аналоги: Серийно выпускаются только воздушный компрессора ДК-2 (для сжатия воздуха до 230 бар, 43 кВт) и ДК-10 (400 бар, 96 кВт. Состав проведенных работ: Опытный образец СПД 1МП120, готовый к масштабированию, научно-технические отчеты с 2006 по 2010 гг. Свободно поршневой двигатель-компрессор в составе установки получении сжиженного природного газа Проект: Создание компактных автономных установок получения сжиженного природного газа. Область применения: топливно-энергетический комплекс, транспорт. Описание технологии: использование свободнопоршневого дизель-компрессора вместо электроприводного компрессора в установках компремирования природного газа. Так как не требуется электропитание, возможно создание автономных комплексов. В качестве приводного двигателя используется газовый дизель с воспламенением от сжатия. Преимущества технологии: автономность, многотопливность (включая альтернативные топлива, сырую нефть, попутные и сбросные газы), материалоемкость в 3,8-6,5 раз ниже, чем у электроприводных компрессоров, энергозатраты в 1,5-2,0 раза ниже, отсутствие смазочного масла, отсутствие ограничений на давления всасывания и нагнетания. Рисунок 6 – Установка получения сжиженного природного газа в контейнерном исполнении Аналоги: Стационарный комплексы сжижения природного газа. Состав проведенных работ: Опытный образец СПД 1МП120, готовый к масштабированию и доработке в дизель-компрессор, научно-технические отчеты с 2006 по 2010 гг. Предложение: разработка дизель-компрессоров приводной мощностью 100 кВт и 900 кВт, автономный комплекс сжижения природного газа на их базе. Тепловой насос большой единичной мощности Проект: разработка модельного ряда тепловых насосов на природных рабочих веществах на базе свободно поршневого дизель-компрессора. Область применения: системы крупного промышленного и централизованного теплоснабжения. Рисунок 7 – Схема теплонасосной установки на базе свободнопоршневого дизель-компрессора: 1 – свободно-поршневой двигатель, 2 – турбокомпрессор от серийного дизеля, 3 – конденсатор, 4 – испаритель, 5 – котел-утилизатор, 6 – дроссель-вентиль Описание технологии: свободнопоршневой двигатель может быть использован в двигательном режиме (дизель-компрессор) с возможной утилизаций продуктов сгорания в котле-утилизаторе, в генераторном режиме (привод компрессорной машины от наддува продуктов сгорания) и в комбинированном режиме. В зависимости от режима рассчитаны области эффективного применения в диапазоне теплопроизводительности 0,5…37 МВт(т). Преимущества технологии: энергетическая эффективность (коэффициент использования первичного топлива на 90…140% выше электроприводных компрессоров), компактность, возможность создания автономных моноблочных установок, отсутствие ограничений на давления всасывания и нагнетания, возможность создания высокотемпературных тепловых насосов. Аналоги: тепловые насосы на базе центробежных компрессоров мощностью до 30 МВт и максимальной температурой нагрева 75 ˚С. Состав проведенных работ: Научно-технический отчет «Свободнопоршневые двигатели в теплонасосных установках», НПФ «ЭКИП», 2010г. Предложение: разработка дизель-компрессоров приводной мощностью 100 кВт и 900 кВт, разработка тепловых насосов мощностью до 37 МВт на их базе.