СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель предназначена для снижения потерь тепла и уменьшения потребляемой для этого энергии и может быть использована в системах теплоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и промышленного технологического оборудования.
Предшествующий уровень техники.
Известны производственные, квартальные и районные системы теплоснабжения, содержащие котельную, размещенную в наружной среде (в грунте или на опорах в воздухе) тепловую сеть, имеющую подающую и обратную магистрали теплоносителя и паропровод.
Недостатком таких систем являются большие потери тепла в окружающую среду (более 50% от получаемой при сжигании топлива тепловой энергии). Это обусловлено высокой температурой теплоносителя в подающей (до 150°С), обратной (до 70°С) магистралях и паропроводе (до 180°С). [1, стр. 227-250].
Запасы органического топлива на земле и в ее недрах ограничены. Использование органического и ядерного топлива имеют огромную потенциальную и реальную угрозу для всей биосферы. Экономический эффект только от замещения 1% потребляемого сегодня в России топлива составит более 1 млрд долларов США [2, стр. 50, 51].
Меньшие потери тепла в окружающую среду (менее 50% от получаемой при сжигании топлива тепловой энергии) имеет система теплоснабжения, содержащая теплоэлектроцентраль с теплосиловой установкой, имеющей конденсатор водяного пара, и размещенную в окружающей среде тепловую сеть с подающей и обратной магистралями теплоносителя и паропроводом [3, стр. 323-325 (прототип)].
Уменьшение потерь тепла в такой системе обеспечивается благодаря преобразованию в теплосиловой установке части (до 33%) получаемой при сжигании топлива тепловой энергии в электрическую. Коэффициент полезного действия теплосиловых установок большинства действующих электростанций составляет 15...20% [4, стр. 93].
Однако и в этой системе потери тепла составляют десятки процентов. При этом уменьшается значение коэффициента полезного действия теплосиловой установки в связи с необходимостью увеличения температуры конденсации водяного пара для обеспечения требуемых параметров теплоносителя в системе теплоснабжения.
Раскрытие изобретения.
Задачей, решаемой полезной моделью, является снижение тепловых потерь в окружающую среду путем охлаждения теплоносителя на входе в обратную и нагревания на выходе из подающей магистралей с помощью холодильной установки и уменьшения потребляемой для этого энергии.
Для этого в первом варианте системы теплоснабжения, содержащей подающую и обратную магистрали теплоносителя, она снабжена размещенной перед потребителем тепла холодильной установкой. Конденсатор этой установки включен гидравлически в подающую, а испаритель - в обратную магистраль.
В системе теплоснабжения первого варианта остаются неизменными потери тепла в окружающую среду через паропровод.
Для снижения потерь тепла при доставке пара потребителю и уменьшения потребляемой при этом энергии во втором варианте системы теплоснабжения, содержащей подающую к потребителю тепла, обратную и подпиточную магистрали теплоносителя, она снабжена размещенной перед потребителем тепла и пара холодильной установкой. Конденсатор этой установки включен гидравлически в подающую, а испаритель - в обратную магистраль. Система снабжена дополнительно включенным гидравлически в подающую магистраль на участке между конденсатором холодильной
установки и потребителем тепла теплообменником и ответвлением подающей магистрали. Ответвление связано гидравлически с теплообменником через редукционное (дросселирующее) устройство.
Для снижения потребляемой холодильной установкой обоих вариантов системы теплоснабжения мощности холодильная установка выполнена с несколькими, имеющими разный уровень температуры конденсации хладагента и соединенными последовательно по ходу теплоносителя, конденсаторами и с несколькими, имеющими разный уровень температуры кипения хладагента и соединенными последовательно по ходу теплоносителя, испарителями.
Краткое описание чертежей.
На чертежах условно изображены гидравлические схемы системы теплоснабжения:
на фиг.1 показан пример исполнения первого варианта системы теплоснабжения;
на фиг.2 - второго варианта системы теплоснабжения.
Система теплоснабжения содержит, например, конденсатор 1 теплосиловой установки теплоэлектроцентрали (не показана), подающую 2 и обратную 3 магистрали теплоносителя, циркуляционный насос 4, радиаторы 5 системы отопления (не показана) и холодильную установку 6, имеющую, например, три парокомпрессионные холодильные машины 7, 8, 9. Холодильные машины имеют соответственно компрессоры 10, 11 и 12, конденсаторы 13, 14 и 15, терморегулирующие вентили 16, 17 и 18 и испарители 19, 20 и 21. Конденсаторы 13, 14 и 15 имеют разный уровень температуры конденсации хладагента и включены последовательно в магистраль 2. Испарители 19, 20 и 21 имеют разный уровень температуры кипения хладагента и включены последовательно в магистраль 3.
Второй вариант системы дополнительно содержит подпиточную магистраль 22 с насосом 23, включенный в магистраль 2 на участке между
конденсатором 15 и радиаторами 5 теплообменник 24 и ответвление 25 магистрали 2 с установленным перед теплообменником 24 регулирующим вентилем 26.
В качестве конденсатора 1 могут быть использованы также производственные, квартальные или районные котельные, естественные или искусственные водоемы, геотермальные воды или теплообменник, установленный в наружном воздухе.
В качестве радиаторов 5 могут быть также использованы теплообменники системы горячего водоснабжения, калориферы системы воздушного отопления или технологическое оборудование по тепловой обработке продукции предприятий, например, пищевой промышленности.
В качестве холодильных машин могут быть также использованы и любые другие, имеющие конденсатор и испаритель.
Количество конденсаторов и испарителей может быть и любым другим.
В качестве регулирующего вентиля 26 может быть использовано и любое другое редукционное (дросселирующее) устройство, обеспечивающее снижение давления и разбрызгивание воды в теплообменнике 24.
k1
k2
k
При поступлении к конденсатору 1 из магистрали 3 воды с температурой, например, t=8°С температура воды на выходе из конденсатора 1 повышается до значения t=20°С за счет тепла, выделяемого при конденсации водяного пара в конденсаторе 1 при температуре t=20°C.
гp
вk1
во1
k2
вk1
k1
во1
При температуре грунта в зоне размещения магистралей 2 и 3 t=10°C температура воды на входе в холодильную установку 6 может составить t=15°С, а выходе - t=3°C. В этом случае теряемое из магистрали 2 в грунт тепло (t-t=5°C) компенсируется притоком в магистраль 3 тепла из грунта (t-t=5°C).
вkн
вkн
Требуемое значение температуры воды на входе в радиаторы 5 (t=95°C) (фиг.1) или в теплообменник 24 (фиг.2) (t=130°С) обеспечивается путем ступенчатого нагревания ее в конденсаторах 13, 14 и 15
воп
за счет тепла, перекачиваемого холодильными машинами 7, 8 и 9 из магистрали 3 через испарители 19, 20 и 21 от воды с температурой на выходе из радиаторов 5 t=60°С.
В представленном на фиг.2 втором варианте системы теплоснабжения при открывании вентиля 26 вода с температурой 130°С по ответвлению 25 поступает в теплообменник 24. При дросселировании в вентиле 26 вода разбрызгивается в теплообменнике 24 и превращается в пар за счет тепла, поступающего из магистрали 2 через теплопередающую поверхность теплообменника 24. Расход превратившейся в пар воды компенсируется из подпиточной магистрали 22 насосом 23.
Значение температур воды могут быть и любые другие, обеспечивающие требуемый уровень температур в потребителе тепла.
Лучший вариант осуществления полезной модели.
Лучшим вариантом осуществления полезной модели является использование ее в составе системы теплоснабжения с теплоэлектроцентралью при температуре воды на входе в конденсатор 1 ниже температуры окружающей магистраль 3 среды и с холодильной установкой, имеющей несколько конденсаторов и испарителей.
При приведенных в описании чертежей значениях температур воды потери тепла через магистраль 2 компенсируются теплопритоками в магистраль 3. При этом затраты энергии на привод холодильной установки 6 компенсируются увеличением коэффициента полезного действия теплосиловой установки теплоэлектроцентрали в связи со снижением температуры воды на входе в конденсатор 1.
Кроме того, при использовании второго варианта отпадает необходимость прокладки в тепловой сети паропровода от теплосиловой установки. В таблицах 1 и 2 представлены результаты расчетов показателей холодильной установки при приведенных в описании чертежей значениях температур воды.
Расчетные показатели холодильной установки системы теплоснабжения первого варианта.
Таблица 1
Показатели
Количество холодильных машин в установке, n
1
2
3
4
5
Отопительный коэффициент холодильной машины, μ<sub>i</sub>
1
2,30
3,19
3,85
4,34
4,73
2
-
3,02
3,60
4,06
4,43
3
-
-
3,41
3,86
4,18
4
-
-
-
3,66
3,99
5
-
-
-
-
3,83
Отопительный коэффициент установки, μ<sub>уп</sub>
2,30
3,11
3,62
3,97
4,23
Коэффициент энергетической эффективности установки, η<sub>уп</sub>
1,00
1,35
1,57
1,73
1,84
Расчетные показатели холодильной установки системы теплоснабжения второго варианта.
Таблица 2
Показатели
Количество холодильных машин в установке, n
1
2
3
4
5
Отопительный коэффициент холодильной машины, μ<sub>i</sub>
1
1,94
2,88
3,18
3,60
3,95
2
-
2,32
2,75
3,11
3,42
3
-
-
2,49
2,80
3,08
4
-
-
-
2,59
2,84
5
-
-
-
-
2,66
Отопительный коэффициент установки, μ<sub>уп</sub>
1,94
2,60
2,81
3,03
3,19
Коэффициент энергетической эффективности установки, η<sub>уп</sub>
1,00
1,34
1,45
1,56
1,64
i
Значения μ определялись по формуле
н
где k=0,465±0,02 - коэффициент необратимости выпускаемых промышленностью парокомпрессионных холодильных установок холодильной мощностью до 1000 кВт с винтовым компрессором;
- холодильный коэффициент i-й холодильной машины;
- температура кипения хладагента в испарителе i-й холодильной машины, °К;
- температура конденсации хладагента в конденсаторе i-й холодильной машины, °К;
- температура кипения хладагента в испарителе первой от конденсатора 1 холодильной машины, °К;
кn
вкn
T=T+5 - температура конденсации хладагента в конденсаторе последней от конденсатора 1 холодильной машины, К.
- отношение отопительного коэффициента холодильной установки с n холодильными машинами к отопительному коэффициенту холодильной установки с одной холодильной машиной.
уп
уп
Согласно приведенным в таблицах 1 и 2 значениям отопительного коэффициента установки μ возрастает с увеличением количества холодильных машин. В связи с этим потребляемая холодильной установкой мощность уменьшается в зависимости от количества холодильных машин в установке до η=1,84 раза при использовании первого и до 1,64 раза - второго варианта системы теплоснабжения.
Промышленная применимость
Использование полезной модели не требует разработки принципиально новой аппаратуры и агрегатов. Для этого могут быть применены выпускаемые промышленностью приведенные на фиг.1 и 2 элементы схемы системы теплоснабжения.
Список использованной литературы.
1. Грингауз Ф.И. Санитарно-технические работы. Издание восьмое. М., Высшая школа, 1979 г.
2. Беляев Ю.П.Проблемы долгосрочного развития энергетики. "Промышленная энергетика", №4, 2003 г.
3. Кириллин В.А., Сычев А.Е., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Издание четвертое. Энергоатомиздат. М., 1983 г.
4. Дроздов В.Ф. Санитарно-технические устройства зданий. М., Стройиздат, 1980 г.