Вопрос 26. Полезное использование низкопотенциальных энергоресурсов. Теплонасосные установки

В последнее время появилась реальная возможность принципиально по-новому решать вопросы комплексного энергоснабжения промышленных предприятий путем применения тепловых насосов, использующих низкопотенциальные выбросы для выработки одновременно теплоты и холода. Одновременная выработка этих энергоносителей на тепловых насосах практически всегда более эффективна, чем раздельное получение теплоты и холода на традиционных установках, так как в этом случае необратимые потери холодильного цикла используются для получения теплоты, отдаваемой потребителю.

В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды, т.е. Т_н>Т_о. Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например, окружающей среды.

В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов: компрессионные (паровые); струйные (эжекторного типа); абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а также для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны.

На рис.4 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса. В испаритель I подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя I в компрессор II в состоянии 1 сжимаются до давления рк и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор III, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер IV (устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, происходит с совершением полезной работы), где происходит расширение рабочего агента от давления р_к до давления р_о, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель I и цикл замыкается.

Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу, принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок. Однако присоединение потребителей осуществ-ляется по-разному. В схемах холодильных установок потребитель холода присое-динен к испарителю, а в теп-лонасосных — потребитель тепла к конденсатору.

Тепловые насосы относятся к установкам трансформации теплоты, к которым также относятся холодильные ( 120 К), криогенные ( =0…120 К) и комбинированные ( , ) установки. Все данные установки работают по обратным термодинамическим циклам, в которых с затратой внешней работы происходит перенос тепловой энергии от тел с низкой температурой (теплоотдатчиков) к телам с высокой температурой (теплоприемникам). Но если функция холодильных и криогенных установок – охлаждение тел и поддержание низкой температуры в холодильной камере, т.е. отвод тепла, то основная функция тепловых насосов – подвод теплоты к высокотемпературному источнику с использованием низкотемпературной тепловой энергией. При этом выгодно то, что количество получаемой высокотемпературной теплоты может быть в несколько раз выше затраченной работы.

Трансформатор тепла может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка; при этом Т_н < Т_о и Т_н > Т_о. Такой процесс называется комбинированным. В комбинированном процессе происходит одновременно выработка тепла и холода - охлаждается среда А и нагревается среда Б. Таким образом, в холодильных установках осуществляется искусственное охлаждение тел, температура которых ниже температуры окружающей среды. В теплонасосных установках используется тепло окружающей среды или других низкопотенциальных сред для целей теплоснабжения.

Идеальные циклы Карно установок трансформации теплоты представлены на рис.5.

Эффективность холодильных машин ( - полезный эффект, количество теплоты, отобранной от более холодного теплоносителя) оценивается холодильным коэффициентом. Для теплового насоса используется понятие коэффициент трансформации ( - полезный эффект, количество теплоты, отданное нагреваемому теплоносителю) или отопительный коэффициент, т.е. количество полученной теплоты на единицу затраченной работы.

, ,

, .

Для реальных тепловых насосов = 2 - 5.

Рис.5. Идеальные циклы Карно установок трансформации теплоты

Реальная установка имеет потери, вызванные необратимостью процессов сжатия (внутренняя) и теплообмена (внешняя). Внутренняя необратимость обусловлена вязкостью хладоагента и выделением теплоты внутреннего трения при сжатии в компрессоре (энтропия растет). Действительная работа сжатия , где - идеальная работа в обратимом процессе; - относительный внутренний КПД компрессора; - электромеханический КПД привода.

Внешняя необратимость объясняется необходимостью иметь разность температур для возникновения теплообмена, которая задается (определяется) площадью теплообменной поверхности при заданном тепловом потоке.

Поэтому и ,

и ,

где , - температуры соответственно в испарителе и конденсаторе установки.

Струйные тепловые насосы эжекторного типа в настоящее время получили широкое применение. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счет использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки.

Пар высокого давления с параметрами р_р и Т_р поступает в струйный аппарат (рис.6). За счет использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока с па­раметрами р_н и Т_н. Из аппарата выходит смесь потоков с параметрами р_с и Т_с. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура (а следовательно, и энтальпия). Сжатый поток пара затем выводится из установки. Степень повышения давления р_с / р_н в таких аппаратах, называемых струйными компрессорами, сравнительно невелика и находится в пределах 1,2 ≤ р_с / р_н ≤ 4.

Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т.е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щелочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счет использования тепла, подведенного извне.

Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса приведена на рис.7.

В качестве рабочего вещества в абсорбционных тепловых насосах применяется раствор двух веществ (бинарная смесь), которая различается температурой кипения при одинаковом давлении. Одно вещество поглощает и растворяет второе вещество, являющееся рабочим агентом. Рабочий цикл абсорбционного теплового насоса осуществляется следующим образом. В испарителе 3 через стенки теплообменника к бинарному раствору подводится теплота низкого потенциала при температуре T_о. Подведенная теплота обеспечивает испарение из бинарной смеси рабочего агента при давлении р_о. Полученные пары рабочего агента из испарителя по трубопроводу поступают в абсорбер 2, где поглощаются растворителем (абсорбентом), и выделяется теплота абсорбции Q_a. Образовавшийся в абсорбере крепкий жидкий раствор насосом 1 подается в генератор 6. К генератору подводится теплота Q_г затрачиваемая на выпаривание рабочего агента при высоком давлении р_к, и соответственно высокой температуре Т_к. При выпаривании над поверхностью раствора образуются пары рабочего агента, а сам раствор становится слабым. Слабый раствор по трубопроводу направляется в абсорбер 2, понижая давление во вспомогательном терморегулирующем вентиле 7 до давления в испарителе р_о. Образовавшиеся в генераторе пары рабочего агента поступают в конденсатор 5, где через разделительную стенку отдают теплоту конденсации Q_к при высокой температуре Т_к. Сконденсировавшийся в конденсаторе рабочий агент понижает в терморегулирующем вентиле давление с р_к до р_о , с которым поступает в испаритель. Затем процесс повторяется.

Рис.7. Принципиальная схема абсорбционного теплового насоса: 1 - насос; 2 – абсорбер; 3 – испаритель; 4 – основной терморегулирующий вентиль; 5 – конденсатор; 6 – генератор; 7 - вспомогательный терморегулирующий вентиль

Для работы идеального абсорбционного теплового насоса характерно следующее уравнение теплового баланса:

,

где Q_н - количество теплоты низкого потенциала, подведенной в испарителе;

Q_г - количество теплоты высокого потенциала, подведенной к генератору;

Q_нас - теплота, эквивалентная работе насоса;

Q_к - количество отведенной теплоты высокого потенциала в конденсаторе;

Q_а - количество отведенной теплоты низкого потенциала в абсорбере.

Рабочим агентом обычно является вода, а абсорбентом - бромид лития.

Для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, имеющих большой объем воды для охлаждения технологических агрегатов, температура которой находится в пределах от 20 до 50°С, необходимо применять абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы, которые в летнее время будут работать в режиме охлаждения оборотной воды, а в зимнее время сбросную теплоту оборотной воды использовать для выработки горячей воды для отопления цехов. В табл.6 указаны параметры абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов (АБТН).

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий кпд, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.

Таблица 6

Параметры АБТН

Рабочие агенты и теплоносители (хладоносители)

в трансформаторах тепла

Для осуществления процессов в трансформаторах тепла применяют рабочие вещества (агенты), обладающие необходимыми термодинамическими, физико-химическими свойствами. Они могут быть однородными или являются смесью нескольких, обычно двух, веществ. У большинства трансформаторов тепла рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям. В настоящее время в трансформаторах тепла применяют следующие рабочие вещества:

а) холодильные агенты - вещества, имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения от +80 до -130 °С. Холодильные агенты с температурой кипения от +80 до -30 °С применяются обычно в теплонасосных установках, а с более низкими температурами кипения от 0 до -130 °С - в установках умеренного холода;

б) газы и газовые смеси (также воздух) с низкими температурами кипения;

в) рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;

г) вода, применяемая по своим теплофизическим свойствам в холодильных установках, где температура нижнего источника, тепла tн>0°С, например для кондиционирования воздуха.

Для экономичной и безопасной работы трансформаторов тепла холодильные агенты должны удовлетворять следующим требованиям:

а) иметь невысокое избыточное давление при температуре кипения и конденсации, большую теплопроизводительность 1 кг агента, малый удельный объем пара (при поршневых компрессорах), малую теплоемкость жидкости и высокие коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи;

б) иметь невысокую вязкость, возможно более низкую температуру затвердения, не растворяться в масле (при поршневых компрессорах);

в) быть химически стойким, негорючим, невзрывоопасным, не вызывать коррозии металлов;

г) быть безвредным для организма человека;

д) быть недефицитным и недорогим.

Рабочие агенты газовых холодильных установок должны иметь низкую нормальную температуру кипения, малую вязкость, большую теплопроводность и теплоемкость С_р, мало зависящую от температуры и давления.

Рабочие агенты абсорбционных установок, кроме удовлетворения вышеперечисленных требований, должны хорошо абсорбироваться и десорбироваться в сочетании с соответствующими сорбентами.

Экономическая эффективность применения тепловых насосов зависит от:

- температуры низкопотенциального источника тепловой энергии и будет тем выше, чем более высокую температуру он будет иметь;

- стоимости электроэнергии в регионе;

- себестоимости тепловой энергии, производимой с использованием различных видов топлива.

Использование тепловых насосов вместо традиционно используемых источников тепловой энергии экономически выгодно ввиду:

- отсутствия необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим;

- высвобождения значительной территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом.

Наибольший потенциал энергосбережения имеется в сфере теплоснабжения: 40 - 50% всего теплопотребления страны. Оборудование существующих ТЭЦ физически и морально изношено, эксплуатируется с перерасходом топлива, тепловые сети являются источником больших потерь энергии, мелкие теплоисточники отличаются низкой энергоэффективностью, высокой степенью загрязнения окружающей среды, повышенными значениями удельных стоимостей и трудозатрат на обслуживание.

ТНУ дают возможность:

1) минимизировать протяженность тепловых сетей (приблизить тепловые мощности к местам потребления);

2) получать в системах отопления 3 - 8 кВт эквивалентной тепловой энергии (в зависимости от температуры низкопотенциального источника, затрачивая при этом 1 кВт электроэнергии).

К настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов в мире следующие:

- в Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы; только за последние годы введено более 100 (от 5 до 80 МВт) теплонасосных станций;

- в Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый киловатт установленной мощности;

- в Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов;

- в США 30 % жилых зданий оборудовано тепловыми насосами, ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов;

- в Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой + 8^оС;

- в мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля тепловых насосов в теплоснабжении (коммунальная сфера и производства) составит 75%.

Причины массового признания тепловых насосов следующие:

- экономичность. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт тепловой энергии, тепловому насосу нужно лишь 0,2 - 0,35 кВт электроэнергии;

- экологическая чистота. Тепловой насос не сжигает топливо и не производит вредных выбросов в атмосферу;

- минимальное обслуживание. Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10 - 15 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы. Для работы теплонасосной станции мощностью до 10 МВт не требуется более одного оператора в смену;

- легкая адаптация к имеющейся системе теплоснабжения;

- короткий срок окупаемости. В связи с низкой себестоимостью произведенного тепла тепловой насос окупается в среднем за 1,5 - 2 года (2 - 3 отопительных сезона).

Сейчас имеются два направления развития ТНУ:

- крупные теплонасосные станции (ТНС) для централизованного теплоснабжения, включающие парокомпрессионные ТНУ и пиковые водогрейные котлы, используемые при низких температурах воздуха. Электрическая (потребляемая) мощность ТНУ составляет 20 - 30 МВт, тепловая – 110 - 125 МВт. По сравнению с обычными котельными достигается экономия топлива в размере 20 - 30%, снижается загрязнение воздуха (нет котельной!);

- децентрализованное индивидуальное теплоснабжение (маломощные парокомпрессионные ТНУ и термоэлектрические полупроводниковые ТН). Экономия топлива по сравнению с мелкими котельными составляет 10 - 20%. Возможно хладоснабжение. Сопровождается высокими удельными расходами топлива, капиталовложениями и трудозатратами.