Система теплоснабжения

ХАЙНРИХ Г. и др. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения, Стройиздат, Москва,1985, стр. 74-75, рис. 2.46 Малахов Анатолий Иванович, Малахов Михаил Анатольевич (RU) Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и промышленного технологического оборудования. Для снижения потребляемой системой теплоснабжения мощности конденсатор первого каскада и испаритель второго каскада теплонасосной установки совмещены в одном двухконтурном теплообменнике. Использование изобретения позволяет снизить потребляемую теплонасосной установкой мощность в 1,42-1,84 раз и в связи с этим увеличить полезную мощность вырабатываемой теплоэлектроцентралью электроэнергии. 014631 Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и промышленного технологического оборудования. Предшествующий уровень техники Известны производственные, квартальные и районные системы теплоснабжения, содержащие котельную и размещенную в наружной среде теплосеть с подающей и обратной магистралями [1, стр. 227250]. Недостатком таких систем являются большие потери тепла в окружающую среду (более 50% от получаемой при сжигании топлива тепловой энергии). Этот недостаток обусловлен высокой температурой воды в подающей (до 150 С) и в обратной (до 70 С) магистралях. Меньшие потери тепла в окружающую среду имеет система теплоснабжения, содержащая теплоэлектроценраль с теплосиловой установкой, имеющей конденсатор водяного пара, и теплосеть с подающей и обратной магистралями [2, стр. 323-325]. Уменьшение потерь тепла в такой системе обеспечивается благодаря преобразованию в теплосиловой установке части получаемой при сжигании топлива тепловой энергии в электрическую. Однако и в такой системе теряется большое количество тепла из-за высоких значений температур воды в подающей и обратной магистралях. При этом уменьшается коэффициент полезного действия теплосиловой установки в связи с необходимостью увеличения температуры конденсации водяного пара для обеспечения требуемых значений температур воды на входе в потребитель тепла, например системы отопления. Уменьшение потерь тепла в окружающую среду обеспечивают системы теплоснабжения, содержащие подающую и обратную магистрали с контуром подмеса обратной воды и теплонасосную установку,испаритель которой установлен в обратной магистрали, а конденсатор в контуре подмеса обратной воды[патенты RU 14071 ПМ, RU 2239129]. Уменьшение потерь тепла в такой системе достигается снижением температуры воды в обратной магистрали. Однако остаются основные потери тепла из подающей магистрали из-за высокой температуры воды(до 150 С). До минимума уменьшаются потери тепла в системе теплоснабжения, содержащей теплоэлектроцентраль с подающей и обратной магистралями и установленную перед потребителем тепла двухкаскадную теплонасосную установку. Конденсатор второго каскада включен в циркуляционный контур потребителя тепла, а испаритель первого каскада связан с циркуляционным контуром теплоносителя теплоэлектроцентрали [евразийский патент 009243 пп.1, 8 формулы изобретения] (прототип). Уменьшение потерь тепла в окружающую среду при использовании этой системы обеспечивается снижением температуры воды в подающей и обратной магистралях до температур, близких к значению температур окружающей среды, и нагреванием воды в циркуляционном контуре потребителя тепла с помощью теплонасосной установки. Уменьшение температуры воды в подающей и обратной магистралях позволяет снизить температуру конденсации воды в конденсаторе теплосиловой установки теплоэлектроцентрали и в связи с этим повысить КПД этой установки. Это позволяет увеличить производимую теплоэлектроцентралью мощность электроэнергии. Однако такие системы теплоснабжения имеют повышенное потребление электрической энергии для своего функционирования вследствие необратимых тепловых потерь в конденсаторе первого каскада и в испарителе второго каскада теплонасосной установки, что ведет к снижению полезной мощности производимой теплоэлектроцентралью электроэнергии. Раскрытие изобретения Задачей, решаемой при создании изобретения, является снижение потребляемой системой теплоснабжения мощности и увеличение полезной мощности производимой теплоэлектроцентралью электроэнергии. Для этого в известной системе теплоснабжения, содержащей теплоэлектроцентраль, связанную через подающую и обратную магистрали теплоносителя с установленной перед потребителем тепла по крайней мере двухкаскадной теплонасосной установкой, конденсатор последнего каскада которой включен в циркуляционный контур потребителя тепла, конденсатор предыдущего каскада и испаритель последующего каскада совмещены в одном двухконтурном теплообменнике. Поставленная задача решается путем уменьшения необратимых тепловых потерь в теплонасосной установке. Необратимые тепловые потери в двухкаскадной теплонасосной установке, tнпС, могут быть оценены разностью температур конденсации в конденсаторе первого каскада, tк 1C и температуры испарения в испарителе второго каскада, t02C. Тепловые потери, tнпС, в теплонасосной установке предложенной системы обусловлены тепловым сопротивлением одного теплообменника, в одном контуре которого осуществляется конденсация, а в другом - испарение рабочего вещества. У прототипа тепловые потери обусловлены тепловым сопротивлением двух теплообменников:-1 014631 конденсатора первого каскада испарителя второго каскада где t1 и t2 - температура воды на выходе, соответственно, конденсатора первого каскада и испарителя второго каскада. Из сложения выражений (2) и (3) получим величину тепловых потерь прототипа Для теплообменников одинаковой конструкции в первом приближении можно принять Из выражений (4) и (5) получим Таким образом, необратимые тепловые потери прототипа больше по сравнению с предложенной системой на величину (tкl - t02) + (t1 - t2). Холодильный коэффициент двухкаскадной теплонасосной установки равен где 1; Т 01; Тк 1 - показатели первого каскада, соответственно, холодильный коэффициент; температура испарения, K; температура конденсации, K. 2 ; Т 02; Тк 2 - показатели второго каскада соответственно. Решая систему уравнений (1), (8) и (9) при условии минимального значения потребляемой мощности (1=2), получим Из выражения (10) следует, что чем меньше значение tнп, тем больше значение Т 02. Это, согласно выражению (9), ведет к увеличению значения 2, а следовательно, и к уменьшению потребляемой вторым каскадом мощности. Из выражения (11) следует, что чем меньше значение tнп, тем меньше значение Тк 1. Это, согласно выражению (8), ведет к увеличению значения 2, а следовательно, и к уменьшению потребляемой мощности. Сэкономленная потребляемая теплонасосной установкой мощность используется для снижения температуры воды на выходе из испарителя первого каскада при одинаковой с прототипом температуре воды на выходе из конденсатора второго каскада. В этом случае увеличивается производимая теплоэлектроцентралью электрическая мощность за счет увеличения КПД ее теплосиловой установки и уменьшается количество производимого теплоэлектроцентралью тепла на величину уменьшения потерь тепла в подающей и обратной магистралях в связи с уменьшением температуры воды на входе и выходе теплоэлектроцентрали. Это позволяет увеличить мощность производимой теплоэлектроцентралью электрической мощности до уровня действующих электростанций, дополнительно уменьшить расход топлива на нужды систем теплоснабжения и уменьшить экологические показатели теплоэлектроцентрали за счет уменьшения выбросов в атмосферу вредных примесей продуктов сгорания топлива. Краткое описание чертежей На чертежах схематично представлены примеры выполнения предложенной системы теплоснабжения и прототипа. На фиг. 1 показана схема предложенной системы теплоснабжения; на фиг. 2 - схема прототипа. Система, представленная на фиг. 1, содержит установленную перед потребителем 1 тепла теплонасосную установку с первым 2 и вторым 3 каскадами, насос 4 и, например, теплопункт 5, связанный по-2 014631 дающей и обратной магистралями с теплосиловой установкой теплоэлектроцентрали (не показаны). Каскад 2 имеет испаритель 6 и конденсатор 7, а каскад 3 - испаритель 8 и конденсатор 9. Конденсатор 7 и испаритель 8 совмещены в двухконтурном теплообменнике 10. В качестве потребителя 1 могут быть использованы система отопления, система горячего водоснабжения и технологическое оборудование тепловой обработки продукции. В качестве теплосиловой установки могут быть использованы паросиловая, газотурбинная, парогазовая или дизельная установка. Теплонасосная установка может быть выполнена двух и более каскадной, двух и более ступенчатой и размещена в теплопункте 5 либо в подвале или на техническом этаже отапливаемого здания (не показаны). Система, представленная на фиг. 2, содержит те же элементы схемы и отличается от представленной на фиг. 1 системы тем, что конденсатор 7 и испаритель 8 выполнены в виде отдельных теплообменников. В системе, представленной на фиг. 1, вода из теплопункта 5 поступает с температурой t3 в испаритель 6 с температурой испарения в нем рабочего вещества t01 = 1C, охлаждается до температуры t4 = 4C и возвращается в теплопункт 5. Пары рабочего вещества из испарителя 6 поступают в конденсатор 7 и конденсируются в нем при температуре конденсации Тк 1. Выделенное при этом тепло передается в теплообменнике 10 в контур испарителя 8. Пары испарившегося в испарителе 8 рабочего вещества при температуре кипения Т 02 поступают в конденсатор 9 и конденсируются в нем при температуре конденсации t к 2 = 98 С. Выделенное при этом тепло передается воде, циркулирующей через потребитель 1 (например, систему отопления) с температурой на входе t5 = 95C и на выходе t6 = 70 С. В системе, представленной на фиг. 2, вода с температурой t6 поступает в испаритель 8, охлаждается в нем до температуры t1, затем поступает в конденсатор 7 и нагревается в нем до температуры t2. В остальном принцип работы аналогичен рассмотренному для системы, представленной на фиг. 1. Значения приведенных в описании чертежей температур могут быть и любые другие, обеспечивающие требуемые значения температур в потребителе 1 тепла. Лучший вариант осуществления изобретения Лучшим вариантом является использование изобретения при реконструкции (модернизации) действующих централизованных систем теплоснабжения, обеспечивающих нормальное функционирование систем отопления во всех климатических районах России. Современные теплонасосные установки позволяют получить температуру воды на выходе до 80 С[3], что соответствует расчетной температуре наружного воздуха до -15 С. При температуре наружного воздуха -25 С и ниже расчетная температура воды на входе в систему отопления должна быть 95 С и выше. Такие температуры воды в предложенной системе теплоснабжения могут быть получены при применении во втором каскаде теплонасосной установки в качестве рабочего вещества, например фреона 113 или воды. Увеличение температуры воды до 95 С и выше обеспечивается за счет использования экономии потребляемой теплонасосной установкой мощности. При этом температура воды в подающей и обратной магистралях остается на достаточно низком уровне, что позволяет сохранить вырабатываемую теплоэлектроцентралью электрическую мощность на уровне действующих электростанций. При использовании изобретения в централизованных системах теплоснабжения экономия потребляемого теплоэлектроцентралью топлива на нужды системы теплоснабжения в зависимости от температуры кипения в испарителе первого каскада, КПД теплосиловой установки теплоэлектроцентрали и климатического района согласно расчетам составит от 45,6 до 76,8% в холодный период года; от 30,6 до 70,7% в теплый период года. Промышленная применимость Использование изобретения не требует разработки принципиально новой аппаратуры и агрегатов. Для этого могут быть применены выпускаемые промышленностью приведенные на фиг. 1 элементы схемы системы теплоснабжения. Список использованной литературы 1. Грингауз Ф.И. Санитарно-технические работы. Изд. 8-е. М., Высшая школа, 1979 г. 2. Кириллин В.А., Сычев А.Е., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Изд. 4-е. М., Энергоатомиздат, 1983 г. 3. Бутузов В.А. Перспективы применения тепловых насосов//Промышленная энергетика. 2005.10. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Система теплоснабжения, содержащая теплоэлектроцентраль, связанную через подающую и обратную магистрали теплоносителя с установленной перед потребителем тепла по крайней мере двухкаскадной теплонасосной установкой, конденсатор последнего каскада которой включен в циркуляционный-3 014631 контур потребителя тепла, отличающаяся тем, что конденсатор предыдущего каскада и испаритель последующего каскада совмещены в одном двухконтурном теплообменнике.