열 펌프를 기반으로 하는 발전소. 구성표, 설명

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히트펌프를 기반으로 한 발전소. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전

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소개

겨울이 길고 매우 혹독한 러시아의 열 공급에는 매우 높은 연료 비용이 필요하며 이는 전기 공급 비용보다 거의 2배 더 높습니다. 전통적인 열 공급원의 주요 단점은 낮은 에너지(특히 소형 보일러실), 경제 및 환경 효율성(전통적인 열 공급은 대도시의 주요 오염원 중 하나)입니다. 또한, 에너지 자원 전달에 대한 높은 운송 요금은 전통적인 열 공급에 내재된 부정적인 요인을 악화시킵니다.

열 공급 시스템에 화학 연료 에너지를 사용하는 데 따른 낮은 엑서지 효율(난방 시스템의 경우 6~10%)과 같은 심각한 열역학적 단점을 고려하지 않을 수 없습니다.

지역난방 시스템에서 가장 신뢰할 수 없는 요소인 난방 네트워크의 비용은 매우 높습니다. 직경 1400mm 파이프라인의 특정 사고율은 길이 1km당 연간 650건의 사고이고 직경이 더 작은 파이프의 경우 약 300건의 사고입니다. 러시아의 난방 네트워크의 총 길이가 XNUMXkm이고 XNUMXkm가 완전한 교체가 필요하다는 점을 고려하면 작동 조건에서 난방 네트워크의 건설 및 유지 관리에는 화력 발전소 비용에 상응하는 비용이 필요하다는 것이 분명해집니다. 지역 보일러 하우스.

나열된 모든 전통적인 열 공급의 부정적인 요소는 비 전통적인 방법의 집중적 사용을 시급히 요구합니다.

그러한 방법 중 하나는 히트펌프를 통한 난방을 위해 확산형 저온(5~30°C) 자연열이나 폐산업 열을 유용하게 사용하는 것입니다.

열 펌프는 중앙 집중식 열 공급의 나열된 단점 중 대부분이 없기 때문에 해외에서 널리 사용됩니다. 1980년에 미국에 약 3만 개, 일본에 0,5만 개, 0,15에 1993개의 열 펌프가 설치되어 있었다면 서유럽은 12만대, 이후 1년 선진국에서 가동 중인 히트펌프 유닛(HPU)의 총 대수는 2020만대를 넘어섰고, 연간 생산량도 75만대 이상이며 거의 모든 선진국에서 히트펌프의 대량생산이 확립됐다. . 세계에너지위원회(World Energy Committee)의 전망에 따르면 XNUMX년까지 선진국의 히트펌프를 이용한 난방 및 급탕 비중은 XNUMX%에 달할 것으로 예상된다.

기본 명칭, 색인 및 약어

수량 표기

c - 열용량, kJ / (kg? K);
d는 공기 중 수증기의 수분 함량(kg/kg)입니다.
G - 질량 유량, kg/s;
H - 열 강하, J/kg, kJ/kg;
h - 엔탈피, J/kg, kJ/kg;
p - 압력, Pa, kPa;
n - 속도, 1/c;
N - 전력, W, kW, MW;
q - 비열 소모량, J/J, kJ/kJ;
Q - 열량, W, kW, MW;
s - 엔트로피, J/(kg·K), J/(kg·K);
t - 온도, °C;
T - 온도, K;
v - 비체적, m3/kg;
x는 증기 건조도이고;
h - 효율성;
h m - 기계적 효율;
p는 압력의 증가(감소) 정도입니다.
s는 압력 보존 계수입니다.

지수

공중에;
vd - 물;
vl - 젖은;
vn - 내부;
에 - 최종;
cond - 응축;
p - 증기;
cm - 혼합물;
cf - 매체;
건조 - 건조;
피 - 계산;
s - 채도;
나는 - 내부;
0 - 초기; 합의; 명사 같은;
g - 액체.

약어

효율성 - 효율성 계수;
HPP - 열 펌프 장치.

히트 펌프의 작동 원리

히트펌프의 작동 원리는 카르노의 연구와 1824년 그의 논문에 발표된 카르노 사이클의 설명을 따릅니다. 실용적인 히트펌프 시스템은 1852년 윌리엄 톰슨(켈빈 경)에 의해 제안되었습니다. 승수를 계산하고 냉동기가 난방 목적으로 어떻게 효과적으로 사용될 수 있는지 보여주었습니다. 그럼에도 불구하고 Thomson은 자신의 제안을 정당화하면서 제한된 에너지 자원으로는 난방 난로에서 연료의 지속적인 연소를 허용하지 않으며 그의 열 승수 장치는 기존 난로보다 연료를 덜 소비할 것이라고 지적했습니다. 톰슨이 제안한 히트펌프(HP)는 공기를 작동유체로 사용했다. 주변 공기는 실린더 내부로 흡입되어 팽창 및 냉각된 후 열교환기를 통과하여 외부 공기에 의해 가열됩니다. 대기압으로 압축된 후 실린더의 공기는 가열된 실내로 유입되어 주변 온도보다 높은 온도로 가열됩니다. 실제로 유사한 기계가 스위스에서도 판매되었습니다. Thomson은 자신의 HP가 난방에 소비되는 에너지의 3%만을 사용하여 필요한 열을 공급할 수 있다고 말했습니다.

히트 펌프 장치는 20세기 30~20년대에야 영국에서 주변 공기의 열을 이용한 난방 및 온수 공급을 위한 최초의 설비가 만들어지면서 추가 개발이 이루어졌습니다. 그 후 미국에서 작업이 시작되어 여러 개의 데모 플랜트가 만들어졌습니다.

유럽 최초의 대형 히트펌프 공장은 1938~1939년에 취리히에서 가동되었습니다. 강물의 열과 회전식 압축기, 냉매를 이용했습니다. 이는 60kW의 출력과 175C 온도의 물로 시청에 난방을 제공했습니다. 피크 부하를 감당하기 위해 전기 히터를 갖춘 열 저장 시스템이 있었습니다. 여름철에는 냉각을 위해 장치가 작동되었습니다. 1939년과 1945년 사이에 국가의 석탄 소비를 줄이기 위해 9개의 유사한 시설이 더 만들어졌습니다. 그들 중 일부는 30년 넘게 성공적으로 일해왔습니다.

그래서 1824년 카르노가 처음으로 열역학적 주기를 사용하여 과정을 설명했고, 이 주기는 HP와 비교하고 효율성을 평가하는 근본적인 기초로 남아 있습니다. 히트펌프는 역열엔진으로 생각할 수 있다. 열기관은 고온원으로부터 열(그림 1.1.1)을 받아 저온에서 방출하여 유용한 작업을 수행합니다. 히트펌프는 낮은 온도에서 열을 생산하고 높은 온도에서 방출하는 작업이 필요합니다.

열 펌프를 기반으로 하는 발전소
그림 1.1.1. 열 펌프와 열 엔진의 열역학 다이어그램. 1 - 열 펌프; 2 - 열 엔진.

이 두 기계가 모두 가역적이라면(즉, 열역학적 과정에서 열 손실이나 작업 손실이 발생하지 않는 경우) 각 기계의 효율성에는 유한한 한계가 있으며 두 경우 모두 이는 비율입니다. Qn/W. 그렇지 않다면 간단히 한 기계를 다른 기계에 연결함으로써 영구 운동 기계를 만드는 것이 가능할 것입니다. 열기관의 경우에만 이 비율이 W/Qн 형식으로 표시되며 이를 열 효율이라고 하며, 열 펌프의 경우에는 Qн/W 형식으로 유지되며 열 변환 계수(Kt)라고 합니다.

열이 온도 TL에서 등온적으로 공급되고 온도 TH에서 등온적으로 제거되고 압축과 팽창이 일정한 엔트로피에서 수행된다고 가정하면(그림 1.1.2), 일은 외부 엔진에서 공급됩니다. 카르노 사이클은 다음과 같습니다: Kt = TL /( TN - TL) + 1 = TN / (TN - TL)

열 펌프를 기반으로 하는 발전소
Pic.1.1.2

따라서 어떤 열 펌프도 더 나은 성능을 가질 수 없으며 모든 실제 사이클은 이 한계에 최대한 가까워지려는 욕구만 실현합니다.

열 펌프의 분류

현재 열 회로, 작동 유체 및 사용되는 장비가 다른 많은 수의 히트 펌프 설치가 생성되어 작동 중입니다. 다양한 종류의 태도 지정과 관련하여 우리에게 알려진 문학 출처에는 단일한 확립된 의견이 없으며 다양한 명칭과 용어가 발견됩니다.

이와 관련하여 설비의 분류가 중요해지며 하나 또는 다른 그룹에 따라 설비의 속성을 고려할 수 있습니다. 모든 유형의 히트펌프 설치는 유사한 특성에 따라 분류될 수 있습니다. 각각은 설치의 한 가지 특징만을 반영하므로 히트펌프 설치의 정의에는 두 가지 이상의 특징이 포함될 수 있습니다.

히트펌프 설치의 분류는 주로 작동주기에 따라 이루어져야 합니다. 열 펌프에는 몇 가지 주요 유형이 있습니다.

공기 압축기 열 펌프;
기계적 증기 압축(증기 압축 사이클)이 있는 열 펌프;
흡수식 히트펌프;
순위 효과를 기반으로 한 열 펌프;
이중 랭킨 사이클을 사용하는 열 펌프;
스털링 사이클에서 작동하는 열 펌프;
Brayton 사이클에서 작동하는 열 펌프;
열전 히트 펌프.
- 거꾸로 된 연료 전지;
융해열을 사용하는 열 펌프;
기계화학적 효과를 이용한 히트펌프;
자기 열량 효과를 이용한 열 펌프.

작동 유체의 상호 작용 원리에 따라 모든 열 펌프는 두 가지 주요 그룹으로 결합될 수 있습니다. 1) 작동 유체를 가져와 외부 환경으로 방출하는 개방 사이클; 2) 작동 유체가 폐쇄 루프를 따라 이동하며 표면형 장치의 열교환을 통해서만 열원 및 소비자와 상호 작용하는 폐쇄 사이클.

XNUMX단 및 XNUMX단 및 캐스케이드 HPI뿐만 아니라 역류 이동을 통해 가열 및 냉각 냉각수를 직렬로 연결하는 HPI도 있습니다.

목적: 고정식 및 이동식, 열에너지 축적, 폐열 운송 및 활용.

성능별: 대형, 중형, 소형.

온도 체계 별 : 고온, 중간 온도 및 저온.

작동 모드별: 고정식, 비고정식, 연속 또는 순환, 열에너지 저장 기능이 있는 비고정식.

냉매 유형별 : 공기, 암모니아, 프레온, 냉매 혼합물.

소비되는 에너지 유형별: 전기 모터 또는 가스 터빈으로 구동 또는 가스 터빈으로 구동, XNUMX차 에너지 자원으로 구동 등

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