Экономия энергии (топлива) в рекуперативных системах

Микроклимата

Из рекуперактивных теплообменников наибольшее применение получили пластинчатые, выполненные по схеме «прямотока». При такой схеме они менее подвержены обмерзанию в зимнее время. Находят применение и трубчатые теплообменники.

Принцип действия этих теплообменников поясняется на рис. 4.2. Важной особенностью таких устройств является необходимость отвода конденсата, при образовании которого из отработанного воздуха выделяется большое количество теплоты. При угрозе обмерзания пластин или трубок снижают подачу приточного воздуха через теплообменник. Заслуживает внимания также опыт ряда стран (Германии, США и др.), когда отработанный воздух из животноводческого помещения или птичника подаётся в теплицы для обогрева и питания растений углекислым газом.

Рис. 4.2. Схемы рекуперативных теплообменников: а) пластинчатого; б) трубчатого; ОВ- отработанный воздух; ПВ – приточный воздух; ОК – отвод конденсата; ТП – теплообменные пластины; ТТ – теплообменные трубки; ОК – отвод конденсата.

В [17] предлагается использовать в составе сушилки наряду с гелиовоздухоподогревателем (ПВ) и грунтовым теплообменником теплообменник, работающий в «мокром» режиме (Рис.4.3). Этот режим характерен образованием конденсата.

Рис.4.3. Упрощенная схема сушилки: ГТО – грунтовый теплообменник; ТО – теплообменник; ПВ – подогреватель воздуха; СК – сушильная камера.

Поступающий из сушильной камеры воздух имеет повышенную влажность и высокую энтальпию за счет теплоты, использованной на испарение влаги из высушиваемого материала.

В теплообменнике выделяется теплота за счет охлаждения отработанного воздуха и за счет выпадения конденсата (скрытая теплота парообразования). Обмерзание теплообменника в холодный период года предотвращается за счет грунтового теплообменника. Использование такой схемы построения сушилки позволяет экономить до 60% и более тепловой энергии, получаемой в подогревателе воздуха.

Тепловые насосы

Тепловые насосы предназначены для использования энергии в форме низкопотенциального тепла (когда температура теплоносителя ниже требуемого значения) – это тепло отработанного воздуха в системах вентиляции, воды в реках и водоёмах, слабонагретого атмосферного воздуха, канализационных стоков жилых и производственных объектов, молока на МТФ и др. и перевода этого тепла на уровень температур горячего водоснабжения или отопительных температур.

По принципу действия тепловой насос представляет собой холодильную машину, работающую по обратному циклу (рис. 4.3.).Хладоагент (фреон, метилхлорид, аммиак или др.), кипящий при температуре Т_н циркулирует в замкнутом цикле, включающем компрессор. В компрессоре при подводе механической энергии W пар хладоагента сжимается и его температура повышается . Проходя через теплообменник-конденсатор пар хладоагента при высоком давлении и отборе тепловой энергии конденсируется и отдаёт теплоту перегрева W и конденсации Q₁ в помещение или другому теплообменнику при более высокой температуре Т_В. Отдаваемая энергия

Q₂ = W + Q₁

С выхода теплообменника-конденсатора жидкий хладоагент поступает к редукционному клапану. Благодаря наличию этого клапана, на выходе компрессора и в теплообменнике-конденсаторе поддерживается необходимое давление паров хладоагента. За счёт высокого давления обеспечивается переход хладоагента в жидкое состояние при температуре Т_В, превосходящей температуру его испарения Т_Н. Проходя редукционный клапан, жидкий хладоагент попадает в теплообменник-испаритель, где начинает интенсивно испаряться при температуре Т_Н. отбирая при этом тепло Q₁ от среды, в которую теплообменник-испаритель помещён.

Тепловой коэффициент h_т теплового насоса (коэффициент трансформации тепла) определяется как отношение тепловой энергии, получаемой на выходе, к энергии, затраченной на организацию этого процесса, т.е.

.

Из выражения следует, что значение h_т > 1. Расчётное значение теплового коэффициента для тепловых насосов может быть очень велико. По сравнению с электрообогревом применение теплонасосоных установок, использующих в качестве низкопотенциального тепла - тепло грунта, тепло атмосферного воздуха и др. приводит к 3-5-кратной экономии энергии.

Очень перспективным является комплексное использование теплонасосных установок для одновременного получения тепла и холода. Применение такого типа установок на МТФ для охлаждения молока позволяет обходиться без электрических водонагревателей и экономить большое количество электроэнергии.

Рис. 4.3. Упрощенная схема теплового насоса: 1-теплообменник-испаритель; 2-компрессор; 3-редукционный клапан; 4-теплообменник-конденсатор.

Тепловая энергия, содержащаяся в охлаждённом молоке наилучшим образом может быть утилизирована в теплохолодильных установках типа ТХУ-14, ТХУ-23, разработанных в Советском Союзе еще в 80-ые годы. В этих установках, как и в современных танках-охладителях зарубежного производства, используется принцип теплового насоса, когда тепло от холодильного агрегата не «выбрасывается», а направляется на нагрев воды, необходимой для технологических и бытовых потребностей. При охлаждении 1 л молока можно получить тепловую энергию, достаточную для нагрева 0,52 л. воды до температуры 55 ⁰С. Например, в Германии теплонасосные холодильные установки применяют в основном на фермах, насчитывающих не менее 30-40 дойных коров. При годовом удое 5000 кг молока от каждой коровы можно обеспечить горячим водоснабжением коровник на 40-50 коров и жилой дом на 4-6 человек. Окупаются такие установки за 6-7 лет при сроке службы более 12 лет.