Теплонасос

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.

Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua

Привод ЭПУ 25А с дросселем - 5500грн

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

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 дав­ления; 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» 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.

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

Рис. 3.15. Экономия энергии прн ча­стичной нагрузке газовых двигате­лей.

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.

Таблица 3.4. Автомобильные двигатели на природном газе

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

Охлаждающая вода

> Воздушное охлаждение вы­ходного коллек-

Тора, %

Водяное охлаж­дение выходного коллектора, %

Двухтактные поршневые: с турбонаддувом без наддува днзель с наддувом

Четырехтактные:

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

Газовые турбины: простои 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 в связи с факторами времени. Инфляция заставля­ет 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.