ヒートポンプをベースにした発電所。スキーム、説明

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ヒートポンプを利用した発電所。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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導入

ロシアでは冬が長く非常に厳しいため、熱供給には非常に高額な燃料費が必要であり、その燃料費は電力供給コストのほぼ2倍です。従来の熱供給源の主な欠点は、低エネルギー（特に小型ボイラーハウス）、経済性および環境効率（従来の熱供給は大都市における主な汚染源の XNUMX つです）です。さらに、エネルギー資源を配送するための高い輸送料金は、従来の熱供給に固有のマイナス要因を悪化させます。

熱供給システムに化学燃料エネルギーを使用する場合のエクセルギー効率が低く、暖房システムでは 6 ～ 10% であるなど、重大な熱力学的な欠点を考慮することを忘れることはできません。

おそらく地域暖房システムで最も信頼性の低い要素である暖房ネットワークのコストは非常に高額です。直径 1400 mm のパイプラインの具体的な事故率は、長さ 1 km あたり年間 650 件の事故であり、より小さい直径のパイプラインの場合は約 300 件の事故です。ロシアの暖房ネットワークの総延長は XNUMX 万 km で、XNUMX 万 km は完全な交換が必要であることを考慮すると、暖房ネットワークを稼働状態に構築および維持するには、火力発電所や火力発電所のコストに見合ったコストが必要であることは明らかです。地区ボイラーハウス。

従来の熱供給に挙げられたマイナス要因はすべて、非伝統的な方法を集中的に使用することが緊急に必要です。

そのような方法の 5 つは、拡散低温 (30 ～ XNUMX °C) の自然熱または廃産業熱をヒートポンプによる加熱に有益に利用することです。

ヒートポンプは、集中熱供給の挙げられた欠点のほとんどがないという事実により、海外で広く使用されるようになりました。1980 年に米国で約 3 万台、日本で 0,5 万台、日本で 0,15 台のヒートポンプが設置されていたとすると、西ヨーロッパでは1993万台、その後12年には先進国におけるヒートポンプユニット（HPU）の総稼動台数は1万台を超え、年間生産量は2020万台を超え、ほぼすべての先進国でヒートポンプの量産が確立されています。。世界エネルギー委員会の予測によると、先進国では75年までにヒートポンプを利用した暖房・給湯のシェアがXNUMX％になるとのこと。

基本的な名称、索引、および略語

数量表記

c - 熱容量、kJ / (kg? K);
d は空気中の水蒸気の水分量、kg/kg です。
G - 質量流量、kg/s;
H - 熱降下、J/kg、kJ/kg;
h-エンタルピー、J / kg、kJ / kg;
p-圧力、Pa、kPa;
n - 速度、1/c;
N - 電力、W、kW、MW;
q - 比熱消費量、J/J、kJ/kJ;
Q - 熱量、W、kW、MW;
s - エントロピー、J/(kg K)、J/(kg K);
t - 温度、°C;
T-温度、K;
v - 比容積、m3/kg;
xは蒸気の乾燥度です。
h - 効率;
h m - 機械効率;
p は圧力の上昇（低下）度です。
s は圧力保存係数です。

索引

空へ。
vd - 水;
vl - ウェット;
vn-内部;
に - 最終;
cond-凝縮;
p - 蒸気;
cm - 混合物;
cf-中;
乾燥 - 乾燥;
p - 計算;
s-飽和;
i - 内部;
0 - 初期; 決済; 公称;
g - 液体。

略語

効率 - 効率係数;
HPP - ヒートポンプユニット。

ヒートポンプの動作原理

ヒートポンプの動作原理は、カルノーの研究と、1824 年に彼の論文で発表されたカルノーサイクルの説明に基づいています。実用的なヒートポンプシステムは、1852 年にウィリアムトムソン (ケルビン卿) によって提案されました。乗算器を使用し、冷凍機を暖房目的に効果的に使用する方法を示しました。それでもトムソン氏は、自分の提案を正当化する際に、エネルギー資源が限られているため暖房用ストーブで燃料を継続的に燃焼させることができないこと、また、彼の熱増幅器は従来のストーブよりも燃料消費量が少ないことを指摘した。トムソンが提案したヒートポンプ (HP) は、作動流体として空気を使用しました。周囲の空気はシリンダー内に吸い込まれ、膨張して冷却され、熱交換器を通過し、そこで外気によって加熱されます。大気圧まで圧縮された後、シリンダーからの空気は加熱された部屋に入り、周囲温度を超える温度まで加熱されます。実際、同様の機械がスイスでも販売されていました。トムソン氏は、彼の HP は加熱に費やされるエネルギーのわずか 3% を使用して必要な熱を提供できると述べました。

ヒートポンプユニットがさらに発展したのは、20 世紀の 30 年代から 20 年代になってからであり、周囲の空気の熱を利用して暖房と給湯を行うように設計された最初の設備がイギリスで作成されました。その後、米国で作業が始まり、いくつかの実証プラントの設立につながりました。

ヨーロッパ初の大型ヒートポンププラントは、1938 年から 1939 年にかけてチューリッヒで稼働しました。川の水の熱、ロータリーコンプレッサー、冷媒を利用しました。市庁舎には 60 kW の出力で温度 175 ℃の水の暖房が供給されました。ピーク負荷をカバーするために電気ヒーターを備えた蓄熱システムがありました。夏の間、ユニットは冷房のために運転されました。 1939 年から 1945 年にかけて、国内の石炭消費量を削減するために、さらに 9 か所の同様の施設が建設されました。中には30年以上にわたって成功を収めている人もいます。

そのため、1824 年にカルノーはプロセスを説明するために初めて熱力学サイクルを使用しました。このサイクルは、熱力学サイクルとの比較や HP の効率評価の基本的な基礎となっています。ヒートポンプは、逆転した熱エンジンと考えることができます。熱機関は、高温源から熱を受け取り (図 1.1.1)、それを低温で放出し、有用な仕事を提供します。ヒートポンプには、低温で熱を生成し、高温で熱を放出する仕事が必要です。

ヒートポンプに基づく発電所
図1.1.1。ヒートポンプと熱機関の熱力学線図。 1-ヒートポンプ; 2-熱機関。

これらの機械の両方が可逆的である場合 (つまり、熱力学的プロセスに熱や仕事の損失が含まれない場合)、それぞれの効率には有限の制限があり、どちらの場合もこれが比率であることがわかります。 Qн/W. そうでなければ、ある機械を別の機械に接続するだけで永久機関を構築することができるでしょう。熱機関の場合のみ、この比は W/Qн の形式で表され、熱効率と呼ばれます。ヒートポンプの場合は、Qн/W の形式のままで、熱変換係数 (Kt) と呼ばれます。

熱が温度TLで等温的に供給され、温度THで等温的に除去され、一定のエントロピーで圧縮と膨張が実行されると仮定すると（図1.1.2）、仕事は外部エンジンから供給され、そのときの変換係数は次のようになります。カルノーサイクルは次のようになります: Kt = TL /( TN - TL) + 1 = TN / (TN - TL)

ヒートポンプに基づく発電所
Pic.1.1.2

したがって、これより優れたパフォーマンスを持つヒートポンプは存在せず、実際のサイクルはすべて、この限界にできるだけ近づけるという要望のみを実現します。

ヒートポンプの分類

現在、熱回路、作動流体、使用される機器が異なる多数のヒートポンプ設備が作成され、稼働しています。さまざまな種類の態度の指定に関して、私たちが知っている文献には単一の確立された見解はなく、さまざまな指定や用語が見られます。

この点で、設備の分類が重要になり、いずれかのグループに応じてその特性を考慮できるようになります。あらゆるタイプのヒートポンプ設備は、多くの同様の特性に従って分類できます。それぞれの設備の特徴は XNUMX つだけ反映されているため、ヒートポンプ設備の定義には XNUMX つ以上の特性が含まれる場合があります。

ヒートポンプ設備の分類は、主にその動作サイクルに従って実行する必要があります。ヒートポンプには主にいくつかの種類があります。

エアコンプレッサーヒートポンプ;
機械的蒸気圧縮（蒸気圧縮サイクル）を備えたヒートポンプ;
吸収ヒートポンプ;
ランク効果の使用に基づくヒートポンプ。
ダブルランキンサイクルの使用に基づくヒートポンプ。
スターリングサイクルで動作するヒートポンプ。
ブレイトンサイクルで作動するヒートポンプ。
熱電ヒートポンプ。
- 反転燃料電池;
融解熱を利用したヒートポンプ。
メカノケミカル効果を利用したヒートポンプ。
磁気熱量効果を利用したヒートポンプ。

作動流体の相互作用の原理に基づくすべてのヒートポンプは、次の 1 つの主要なグループに組み合わせることができます。2) 作動流体が取り込まれ、外部環境に放出されるオープンサイクル。 XNUMX) 閉サイクル。作動流体が閉ループに沿って移動し、表面型デバイスでの熱交換のみを介して熱源および熱消費者と相互作用します。

XNUMX 段および XNUMX 段のカスケード HPI のほか、加熱および冷却された冷媒を向流で直列接続した HPI もあります。

目的: 熱エネルギーの蓄積とその輸送および廃熱の利用のための固定式および可動式。

パフォーマンス別: 大、中、小。

温度レジーム別: 高温、中温、低温。

動作モード別: 定常、非定常、連続または周期的、熱エネルギー貯蔵を伴う非定常。

冷媒の種類別: 空気、アンモニア、フロン、冷媒の混合物。

消費されるエネルギーの種類別: 電気モーターまたはガスタービンによる駆動、または二次エネルギー資源によるガスタービンによる駆動など。

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