Ви є тут

Джерела теплоти локальних систем теплопостачання на базі машин Стірлінга

Автор: 
Горожанкін Сергій Андрійович
Тип роботи: 
Дис. докт. наук
Рік: 
2004
Артикул:
3504U000444
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РАЗДЕЛ 2
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Объект и предмет исследований

Исходя из поставленных в диссертации задач, основными объектами проведенных исследований являются источники теплоты локальных систем теплохладоснабжения на базе машин Стирлинга.
Предмет исследований - процессы преобразования энергии в источниках теплоты таких систем, включающих термотрансформаторы и двигатели на базе тепловых машин, работающих по циклу Стирлинга. Термотрансформаторы используются в качестве тепловых насосов, холодильных машин, а также в составе комплексных установок, обеспечивающих одновременный нагрев и охлаждение отдельных помещений или объектов в зданиях и сооружениях.
В диссертации разработан порядок расчетов УТМС и предложен метод замкнутой оптимизации параметров термотрансформаторов, ТНУ, предназначенных для работы с системами отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования. Рассмотрены и решены задачи оптимизации параметров и режимов работы УТМС в составе установок, в соответствии со специфическими требованиями к системам теплоснабжения, определены и сформулированы принципы изменения их тепловой мощности. Исследованы и сопоставлены варианты создания ТНУ с несколькими типами привода. Полученные результаты являются основой для выдачи рекомендаций по проектированию и практическому построению машин и установок, предусматривают в перспективе унификацию их конструкций. В исследованиях применялись как традиционные, так и оригинальные методы.
Обобщенная схема комплексной установки с термотрансформатором, работающим по циклу Стирлинга, представлена на рис.2.1. На схеме пока-
Рис.2.1. Схема системы теплохладоснабжения с комплексной теплонасосной установкой
зан ряд источников низкопотенциальной теплоты, потребителей теплоты, а также тепловой аккумулятор. Система теплохладоснабжения, в зависимости от ее назначения, особенностей района расположения обслуживаемого объекта и природных условий, может не включать некоторые из приведенных компонентов (источники и потребители). На схеме указаны стрелками возможные направления передачи теплоты при работе в различных режимах работы установки. В соответствии с заданными температурами система управления с помощью коммутирующего устройства обеспечивает подключение источников и потребителей теплоты к нагревателю и охладителю термотрансформатора.
Для предлагаемой схемы предусмотрены несколько режимов работы по направлениям передачи теплоты, причем система горячего водоснабжения обеспечивает нагрев воды при любом из этих режимов:
а) Одновременная работа систем отопления и горячего водоснабжения. Этот режим характерен для зимнего периода. Тепловая мощность термотрансформатора (работающего в режиме теплового насоса) в этом случае при низких температурах наружного воздуха может достигать максимальных значений.
б) Работа только системы горячего водоснабжения. Такой режим работы обычно необходимо обеспечивать в течение весеннего и осеннего периодов. Требуемая тепловая мощность в этом случае может быть крайне малой (при отсутствии водоразбора), поэтому система оборудуется баком-аккумулятором для горячей воды, что дает возможность осуществлять ее подогрев периодическими включениями термотрансформатора.
в) Охлаждение помещений в жаркий период года. Термотрансформатор в этом случае работает как холодильная машина, а отводимая теплота передается в систему горячего водоснабжения. Выделяемая в нагревателе УТМС избыточная теплота при таком режиме может аккумулироваться, а также отводиться в один из источников низкопотенциальной теплоты, который выступает в данном случае в роли теплоприемника.
г) Одновременное охлаждение одних помещений и нагрев других. Режим также характерен для летнего периода, но его обеспечение связано с необходимостью некоторого усложнения коммутирующих узлов. В зависимости от тепловых нагрузок отдельных помещений может потребоваться отвод избыточной теплоты, как и в предшествующем варианте, в тепловой аккумулятор или источник (теплоприемник).
Для природно-климатических условий большинства регионов Украины режимом с наибольшей продолжительностью работы является первый из вышеперечисленных. Поэтому в дальнейшем изложении автор применяет термин "теплонасосная установка" (ТНУ) с учетом того, что для нее предусмотрен и режим охлаждения помещений или объектов.
При наличии нескольких источников низкопотенциальной теплоты система управления обеспечивает подключение установки к источнику с максимальной температурой. В процессе работы при изменениях температур в этих источниках осуществляются соответствующие переключения с помощью коммутирующего устройства. При отводе теплоты в источники, как в теплоприемники, с помощью системы управления выбирается источник с минимальной температурой, что способствует повышению КПД термотрансформатора.
Перечисленные режимы работы сравнительно легко обеспечиваются, если в качестве привода УТМС применяется электродвигатель. При использовании для привода тепловых двигателей изменение режимов усложняется, т.к. обеспечивать периодические отключения таких двигателей затруднительно, а работа на режимах малой мощности для ДВС и ГТУ сопровождается снижением их экономичности.
Собственно двигатели Стирлинга в проведенных исследованиях рассматривались как один из вариантов привода термотрансформаторов. ТНУ с таким приводом (в литературе их именуют "Стирлинг-Стирлинг") обладают высокими значениями КОП и являются наиболее перспективными, несмотря на существенные сложности построения. Поэтому целью исследований являлась не только оптимизация параметров этих двигателей, но и сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными при проведении испытаний опытных образцов таких машин. Это позволило отработать и апробировать методику проведения оптимизации, численных экспериментов и установить неявные, на первый взгляд, зависимости между основными параметрами УТМС. В ходе исследований предложены новые схемы построения машин, опред