Тепловые насосы

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Эти двигатели применяют всюду в местах, удаленных от цен­трализованного электроснабжения. Автомобили, самолеты и, поез­да используют так много двигателей внутреннего сгорания, что на­коплен исчерпывающий опыт эксплуатации, позволяющий выби­рать двигатели для тепловых насосов. Но, как' это ни удивительно, для малых мощностей, скажем, менее 30 кВт, возникает больше проблем, чем решений. Преимущественное" распространение элек­тродвигателей не позволило накопить небольшим двигателям опыт
непрерывной длительной работы, характерной для тепловых на­сосов.

Для пояснения преимуществ двигателей внутреннего сгорания как привода тепловых насосов вернемся к вопросу об использова­нии первичной энергии.

На рис. 3.14 показано изменение КПД двигателей различных типов <—двухтактных и четырехтактных поршневых как с турбо- наддувом, так и без него, дизелей и газовых турбин. Как видно из рисунка, типичным можно считать значение 30%, что близко к

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

700 1Ш

Нагрдзка, %

Среднему КПД электроэнергети­ки—27%, так что практически нет никаких преимуществ в использо­вании двигателя внутреннего сго­рания с его повышенной стоимо­стью ради такого малого повыше­ния КПД. Поэтому мириады мел­ких приводов, таких как водяные

Рис. 3.14. Термический КПД приводных двигателей.

1— паровая турбина; 2 — газовая турбина; 3 — четырехтактный поршневой насос без надду­ва; 4 — поршневой двухтактный насос без над­дува; 5 — двухтактный с наддувом; Є — че­тырехтактный с наддувом при постоянном дав­лении; 7 — четырехтактный с наддувом при регулируемом давлении.

Насосы, вентиляторы, воздушные компрессоры и т. п., используют исключительно электродвигатели. Однако имеется существенное исключение: если привод связан с процессом, потребляющим теп­ло, то 70% энергии топлива, которые в других случаях сбрасыва­ются, здесь могут быть использованы хотя бы частично, и это до­бавочное тепло может скомпенсировать повышенную стоимость двигателя. Возможности комбинированной выработки мощности и тепла в настоящее время ограничены сравнительно редкими и спе­циальными приложениями. Но тепловой насос создает более бла­гоприятные возможности: он должен вырабатывать тепло постоян­но, поэтому в нем всегда возможна одновременная выработка тепла и мощности.

Как было показано в § 2.6, типичное значение КОП=3,1. При КПД получения электроэнергии 27% в случае электропривода имеем

КПЭ=0,27 • 3,1 да 0,84.

Для Привода теплового насоса дизельных двигателей с КПД 40% и использованием 35% первичной энергии из сбросного тепла получаем

КПЭ=0,4.3,1+0,35= 1,59.

Сравнение ясно показывает, что тепловой двигатель внутренне­го или внешнего сгорания теоретически весьма выгоден как привод
теплового насоса. Где же можно найти для этого подходящую машину?

Самой крупной областью двигателестроения является автомо­бильная промышленность. Ожесточенная конкуренция потребова­ла повышения качества и снижения стоимости двигателей в мас­совом производстве. В основном это четырехтактные поршневые двигатели мощностью 10—100 кВт, но в их использовании имеются некоторые трудности. Обычно автомобиль используется от 500 до 1000 часов в году, причем его регулярное обслуживание является скорее правилом, чем исключением. Двигатель работает 'при скоро­сти 2000—5000 об/мин, тогда как большинство компрессоров рас­считано на 1500 об/мин, так что требуется коробка передач или ременный привод для снижения скорости.

Поршневые двигатели, рассчитанные на длительную работу, используют в судостроении и тяжелой промышленности. Мощные надежные двигатели на дизельном топливе, бензине и природном газе выпускает множество фирм, но их вряд ли можно применить для домашнего теплоснабжения. Газовые турбины доведены до высокого уровня надежности, они представляют интерес для ряда приложений, однако высокая стоимость и сравнительно низкий КПД делают их в общем менее предпочтительными, так что даже для центробежных компрессоров применяют поршневые двигатели.

Поскольку двигатели внутреннего сгорания, как будет видно из гл. 5—7, приобретают все большее распространение как привод тепловых насосов, рассмотрим их несколько подробнее.

В табл. 3.3 приведены типичные значения мощности газовых турбин и поршневых двигателей, а на рис. 3.15 — влияние пониже­ния нагрузки на экономию топлива. Программа работ, проводимых уже в течение нескольких лет Британской газовой корпорацией, включает исследования возможностей работы массовых автомо­бильных бензиновых и дизельных двигателей на газовом топливе.

Таблица 3.3. Двигатели иа газовом топливе

Двигатели

Мощность,

МВт

Двигатели

Мощность,

МВт

Газовые турбины

Поршневые двигатели

Centrax (промышленный)

0,5-0,7

W. Н. Allen

0,24—2,3

Ruston

1,1-3,7

English (двойного топли­ва)

0,6—2,6

John Brown

3—54

СЕС—English Electric

6—60

Eleclric

Rolls Royce (промышлен­

13—20

Mirrlees

0,75—5

Ный газогенераторный)

13—25

Ruston

1—3,5

Waukesha

0,3

GEC

0,04—0,2

Kongsberg

1,2—1,4

Cummings

0,14-0,3

Solar

0,06—2,6

Caterpillar (искровое за­

0,1-0.7

Avco Lycoming

0,75-3

Жигание)

Sulzer •

3—20 МВт

Waukesha

0,1-1,4

White- superior

0,1—1,55

Как указывают фирмы, выпускающие двигатели специально для природного газа, обычные автомобильные двигатели рассчита­ть! на сравнительно малый ресурс, они менее надежны и более дороги в эксплуатации. Однако дизельный двигатель Форда, котот рый можно использовать для привода компрессора, работающий на природном газе, имеет стоимость не более 35% стоимости спе­циально сконструированного газового двигателя. Показатели неко­торых автомобильных двигателей, работающих на природном газе, приведены в табл. 3.4, а характеристики двигателя Форда на газе показаны на рис. 3.16. Реконструкция двигателя потребовала лишь

500 Н, кдт

Установки нового карбюратора: газовые карбюраторы поставля­ются фирмой Impco, США.

Для плавного или ступенчатого регулирования скорости или поддержания ее постоянной лучше применять электронную систе­му управления, чем механическую. Но электронная система дорога и используется лишь для некоторых приложений.

Как и в случае крупных газовых двигателей, здесь возможно использование тепла охлаждающей воды и выхлопных газов. Для мелких мзшин следует проверить капиталовложения в теплообмен­ник, использующий выхлопные газы, так как теплосодержание от­носительно мало.

Тепло поршневых машин. Количество тепла, которое можно ис­пользовать с помощью поршневых машин на газе, указано в табл. 3.5. Его можно сравнить с той же величиной для газовых тур­бин, имеющих более низкий КПД (табл. 3.6). Наконец, в несколь­ко измененном виде эти данные собраны в табл. 3.7, показывающей относительное распределение тепла в охлаждающей воде и выхлоп­ных газах.

Название

А)

Perkins 3.152 Perkins 4.203 Perkins 4.236

Ford 2503E Ford 251 IE Ford 2513E

Rolls Royce B61

Rolls Royce B81 J 6)

Ford 2261E Ford 2264E Ford 2602E

Ford 2614E J B)

Ford 271 IE Ford 2715E

Таблица 3.4. Автомобильные двигатели на природном газе

Максимальная мощ­

Ность на природном

Объем

Количест­

Газе, кВт

Цилинд­

Во ци­

КПД

Ров, см'

Линдров

1500

1800

Об/мнн

Об/мии

Л щах = 2400 Об/мИН

2500

3

23

26

29

3340

4

30

36

40

3860

4

37

42

49

/1тпх=2100 об/мин

2590

3

20

25

28

3294

3

28

32

35

4196

4

35

40

47

Птагс = 3000 Об/мНН

4880

6

46

57

89

6560

8

61

74

119

1100

4

7,5

9

16

1600

4

11

14

28

2000

4

17

22

37

3000

6

25

29

52

/1тах = 2250 Об/мНН

4150

4

33

40

49

6220

6

51

62

74

Примечание, a — для эксплуатации в тяжелых условиях; на тракторах, автоном­ных генераторах и т. п.; б — автомобильные двигатели, редко применяемые в стационарных условиях; в — реконструированные дизели.

Имеется много других приложений, где можно успешно исполь­зовать сбросное тепло. Поршневые машины используют для кон­диционирования воздуха и охлаждения, холодильные установки с газомоторным приводом выпускают в больших количествах. Их легко регулировать при изменении нагрузки. Другим приложением является привод центробежных компрессоров, имеющих скорость почти в 6 раз выше, чем у газовых двигателей. Установлено, что наилучшим компромиссным решением для снижения стоимости как

Таблица 3.5. Характеристики поршневых двигателей

SL, %

75 кВт; С 12 Na; р

: 1; 1800 об/мин; = 1,5 кПа

175 кВт; С 10 : 1;

Р== 1

1200 об/мии; ТА; 00 Па

F,

КВт

S, кВт

Н, кВт

S/H

F. кВт

S, кВт

Я, кВт

SJH

100 90 80 70 60 50

293 272 253 233 214 194

75,0 67,5 60,0 52,5 45,0 37,5

148 134 121 109 97 87

1/2,0 1/2,0 1/2,0 1/2,1 1/2,2 1/2,3

638 595 545 504 457 408

175 158 140 122 105 88

247 222 198 177 154 132

1/1,4 1/1,4 1/1,4 1/1,4 1/1,4 1/1,5

Продолжение табл. 3.5

SL, %

225 кВт; С 10 ТА;

: 1; 1200 об/мни; 100 кПа

450 кВт; С 10 : 1; 1200 об/мни; Г Л; 100 кПа

F,

КВт

S, кВт

Н, кВт

S/H

F, кВт

S, кВт

И, кВт

S/H

100 90 80 70 60 50

805 735 689 624 562 500

225 203 180 158 135 113

311 276 250 218 189 162

1/1,4 1/1,4 1/1.4 1/1,4 1/1,4 1/1,4

1610 1475 1370 1240 1110 980

450 405 360 315 270 225

624 556 495 433 379 319

1/1,4 1/1,4 1/1,4 1/1,4 1/1,4 1/1,4

Примечание. С —степень сжатия; NA — свободное всасывание; ТА — турбонаддув; S — мощность на валу; Н—полезное топливо; р— давление газа; F — расход топлива; SL — нагрузка.

Таблица 3.6. Характеристики газовых турбин

SL, %

150кВт; С=3 ,4 : 1; 30.10» об/мин; /7 = 690 кПа

200 кВт;

С=4,1:1; 35-10® иб/мии; р= 690 кПа

F, кВт

S, кВт

Н, кВт

S/H

F, кВт

S, кВт

И, кВт

S/H

100 90 80 70 60 50

1690 1615 1545 1475 1405 1330

150 135 120 105 90 75

820 815 805 790 760 700

1/5,5 1/6,0 1/6,7 1/7,5 1/8,5 1/9,3

2170 2040 1890 1760 1640 1530

200 180 160 140 120 100

1080 985 895 800 710 620

1/5,4 1/5,5 1/5,6 1/5,7 1/5,9 1/6,2

Продолжение табл. 3.6

SL, %

300 кВт; С=6,1; 45-10» об/мин; /7 = 1030 кПа

900 кВт; С=4,1; 6000 об/мин; /7=690 кПа

F,

КВт

S, кВт

Н, кВт

S/H

F, кВт

S, кВт

Я, кВт

S/H

100 90 80 70 60 50

1850 1670 1600 1490 1330 1240

300 270 240 210 180 150

760 700 615 585 530 470

1/2,5 1/2,6 1/2,6 1/2,8 1/2,9 1/3,1

6630 6220 5800 5420 5040 4630

900 810 720 630 540 450

3290 3040 2790 2550 2310 2080

1/3,7 1/3,8 1/3,9 1/4,1 1/4,4 1/4,7

Примечание. С — степень сжатия; S — мощность на валу; Н — полезное тепло; р— давление газа; F— расход топлива; SL — нагрузка.

Таблица 3.7. Восстановление тепла различных двигателей (процент превращаемой в тепло энергии топлива)

Охлаждающая вода

Выхлопные газы, %

Тип двигателя

> Воздушное охлаждение вы­ходного коллек-

Тора, %

Водяное охлаж­дение выходного коллектора, %

21

20

27

28 24

15 12 13

Двухтактные поршневые: с турбонаддувом без наддува дизель с наддувом

27 ,27 18 17

22 22 15 15

Четырехтактные:

14

14 16

15

69 57

Газовый без наддува диЗель без наддува дизель с турбонаддувом двухтопливный с турбонад­дувом

Газовые турбины: простой цикл регенеративный цикл

Оборудования (двигатель муфты трансмиссии), так и обслужива­ния является скорость 900 об/мин.

Для многих приложений газовых двигателей этот прошлый опыт слишком ограничен, поэтому Британская газовая ассоциация использует опыт нескольких установок, применяющих для привода холодильных компрессоров систем кондиционирования автомобиль­ные двигатели «Ford», «Perkins», «Реіаропе». Получены весьма обнадеживающие результаты.

1. Лонг Батон, мощность 280 кВт. Установка введена в действие в 1969 г., сначала работала на городском газе, а затем переведена на природный газ. Двигатель «Реіаропе» вращает компрессор «Тгапе». Система оказалась весьма надежной и требовала мини­мума обслуживания.

2. Газовая исследовательская станция Мидленд, мощность 370 кВт. Двигатель «Perkins» с водяным охлаждением, без над­дува, установлен в 1970 г. для привода холодильного компрессора «Тгапе» мощностью 160 кВт. Для работы при частичной нагрузке двигатель снижает скорость до 1750, 1475 и 1200 об/мин. После 4000 ч работы в течение 3 лет в среднем при 38% полной нагрузки был сделан вывод, что замена электродвигателя газовым поршне­вым была технически успешной.

3. Восточный газовый район, холодильная мощность 88 кВт. Для холодильников двух служебных зданий использовали привод­ной двигатель «Ford» с автоматическим пуском и остановкой, сту­пенчатым изменением скорости и нагрузкой цилиндров. Стандарт­ные методы управления двигателем и холодильником осуществля­лись без непосредственного вмешательства человека. Оценка стои­мости эксплуатации и других затрат на эти установки может де-
зорйснтировать ё сёязи с факторами Ёремени. Инфляция застаЕля - ет там, где это возможно, использовать только самые последние данные. Данные на уровне цен 1976 г. для поршневых машин на легкой нефти (класс А/Б), тяжелом топливе (классы F и G) и при­родном газе (двухтопливные системы) приведены в работе [13]. Принятые низкие средние значения для стоимости восстанов­ленного сбросного тепла: 0,45 для тепла выхлопных газов и 0,95 пенс/(кВт-ч) для всего тепла, включая водяное охлаждение. Эти данные приведены в табл. 3.8 для поршневых двигателей мощ­ностью 1—2 МВт.

Таблица 3.8. Эксплуатационные затраты на восстановление тепла поршневых двигателей 1—2 МВт

Затраты за 1 МДж, ф. ст.

Класс А/В; 3.2 ф. ст.; 750 об/мии

Класс F; 2,7 ф. ст.;

750— 600 об/мии

Класс G; 2,3 ф. ст.; 600— 500 об/мин

Двухтоп­ливный; 2,6 ф. ст.;

750— 600 об/мин

Стоимость оборудования, ф. ст./кВт: электромеханического пускорегулирующего системы охлаждения Всего

Страховка, прибыль (за год)

110—124 12—20 20 142—164 (153) 1,5304

120—170 12—20 20

1,8107

150—190 12—20 20 182—230 (206) 2,0608

120—180 12—20 20 152—220 (186) 1,8607

Эксплуатационные затраты, пенс/(кВт-ч), на топливо смазку зарплату страховку Всего

1,292 0,050 0,027 0,067 1,436

1,004 0,053 0,033 0,133 1,223

0,850 0,056 0,036 0,200 1,142

1,100 0,050 0,023 0,067 1,240

Капитализация, пенс/(кВт-ч): 50% использования (4380 ч/год) 10% использования (876 ч/год) Приведенные затраты на механическую энергию, пенс/(кВт-ч)

0,349 1,747 3,183

0,413 1,636

0,471 1,613

0,425 1,665

Восстановление тепла, пенс/(кВт-ч)

0,950

0,950

0,950

0,950

Приведенные затраты с использованием тепла, пенс/(кВт-ч)

2,233

0,686

0,663

0,715

Тепловые насосы

Какие отопительные системы снизят счета за отопление?

Чтобы в процессе эксплуатации здания, нести как можно меньше затрат энергии, стоит во время строительства дома планировать монтаж современных отопительных систем. Современная отопительная система не должна негативно воздействовать на среду, …

Геотремальное отопление загородного дома

Тепловой насос получает тепло от земли и подает его в дом. Таким образом, это один из самых дешевых способов отопления загородного дома.

Как работает кондиционер и какие режимы поддерживает

Несмотря на многообразие модельного ряда, и богатые функциональные возможности, главной задачей кондиционеров является все же охлаждение воздушных масс в помещении

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.