НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ВЭР

К низкопотенциальным тепловым вторичным энергоресурсам относятся вещества, отводимые в технологических производствах в окружающую среду, имеющие температуру до 300 ⁰С для газов и до 150 ⁰С для жидкостей. По условиям возникновения низкопотенциальные тепловые ВЭР делятся на три группы:

1. охлаждаемые технологические потоки;

2. технологические и санитарно-технические системы, потребляющие пар и горячую воду повышенного потенциала и одновременным отводом теплоносителей низкого потенциала;

3. котельные установки, технологические печи и другие топливосжигающие устройства.

Основным элементом утилизационных систем является теплообменное устройство. В зависимости от параметров низкопотенциальных тепловых ВЭР могут использоваться теплообменники различных типов. Для утилизации теплоты уходящих газов применяют экономайзеры и воздухоподогреватели. В отдельных случаях находят применение регенеративные теплообменные аппараты.

Одним из путей использования низкопотенциальных ВЭР является применение «теплового насоса» (рис.46). Эта установка по своей конструкции и принципу действия не отличается от холодильного агрегата.

Тепловой насосос» работает следующим образом. Сухой насыщенный пар хладоагента (аммиак, хладон) засасывается компрессором (1) и сжигается в нем адиабатно в процессе 1-2 (рис.47), превращаясь в перегретый пар. Затем хладоагент поступает в конденсатор (2), где вначале охлаждается до температуры конденсации (процесс 2-3), а затем конденсируется (процесс 3-4).

Изобарный процесс (2-3-4) охлаждения и конденсации хладоагента в конденсаторе осуществляется за счет отвода теплоты к низкопотенциальным ВЭР, которые здесь являются вторым теплоносителем.

Рис.46 Принципиальная схема «теплового насоса»

1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссель; 4 - испаритель

В результате температура ВЭР увеличивается, что приводит к повышению их энергопотенциала. После конденсации хладоагент дросселируется (процесс 4-5) в вентеле (3), превращаясь во влажный пар с небольшой степенью сухости. Дросселирование сопровождается резким понижением температуры хладоагента. Затем хладоагент направляется в испаритель (4), где испаряется и превращается в сухой насыщенный пар. Процесс испарения хладоагента осуществляется за счет отвода теплоты от охлаждаемого вещества, например, от рассолов NaCl, CaCl₂ и др., которые в свою очередь охлаждают технологический реактор. Таким образом, «тепловой насос» выполняет две функции – повышает энергопотенциал низкотемпературных ВЭР и охлаждает рассол, циркулирующий между испарителем и технологическим аппаратом.

Рис.47. Термодинамический цикл «теплового насоса» в T-S и lgP – I диаграммах

Применение «теплового насоса» в системах теплоснабжения (рис.48) позволяет получить существенную экономию топлива. «Тепловой насос» предназначен для подогрева сетевой воды от температуры t₁ до t_тн. Окончательный нагрев сетевой воды до температуры t₂ осуществляется в пиковой водогрейной котельной.

Подпиточная вода нагревается в переохладителе, проходит водоочистку и деаэрацию и смешивается с водой из обратной линии. На рис.49 показана экономия топлива, получаемая при использовании «теплового насоса». Величина ΔВ определяется как разность расходов топлива котельной и теплонасосной станции. Влияние t_тн на экономию топлива зависит от КПД замещаемой котельной η_к.

Рис.10.5 Принципиальная схема «теплового насоса» для открытой системы теплоснабжения:

1- испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – переохладитель; 5 – дроссель; 6 – агрегат химводоочистки; 7 – деаэратор; 8 – пиковая водогрейная котельная.

При η_к = 0,77 и 0,79 экономия топлива с ростом t_тн заметно возрастает, а при η_к = 0,84 значение ΔВ практически не изменяется. Анализ показателей использования «теплового насоса» для нужд централизованного отношения показывает, что при температуре источника низкопотенциальной воды более 10 ⁰С применение «теплового насоса» обеспечивает экономию топлива около 20%. На рис.50 показана зависимость коэффициента преобразования φ при различных режимах работы системы теплохладоснабжения.

Рис.49 Экономия топлива при использовании «теплового насоса»

Перевод работы холодильной установки в режим эксплуатации «теплового насоса» связан с повышением энергозатрат на осуществление термодинамического цикла. Целесообразность повышения низкопотенциальных ВЭР определяется следующими параметрами: начальной температурой низкопотенциальных ВЭР; температурой ВЭР, требуемой потребителем; конечной температурой ВЭР, которая достигается после их использования в том или ином технологическом аппарате. Кроме того, на целесообразность перевода холодильной установки в режим работы «теплового насоса» влияют параметры термодинамического цикла холодильного агрегата.

Рис.50 Зависимость коэффициента преобразования от температур испарения и конденсации

Очевидно, что для выполнения двух функций (повышения энергопотенциала низкотемпературных ВЭР и охлаждения рассола), «тепловой насос» должен работать с переохлаждением хладоагента в конденсаторе (рис.51).

Рис.51 Термодинамический цикл «теплового насоса» с переохлаждением хладоагента (1-2-3-4-5 цикл холодильной машины)

РАСЧЕТ «ТЕПЛОВОГО НАСОСА»

Необходимые данные для расчета:

1. Начальная температура ВЭР – t_н, ⁰С;

2. Температура ВЭР, требуемая потребителем - t_к, ⁰С;

3. Температура ВЭР, достигаемая после их использования в технологическом аппарате - t_к΄, ⁰С;

4. Параметры работы холодильного агрегата:

а) расход хладоагента – m_x, кг/с;

б) температура испарения хладоагента – t_u, ⁰С;

в) температура конденсации хладоагента – t_конд, ⁰С.

Холодопризводительность «теплового насоса» равна холодопризводительности холодильной машины:

Q_o = m_x (i₁ – i₅) (10.17)

Количество охлаждаемого рассола определится из уравнения теплового баланса испарителя:

(10.18)

Температура конденсации хладоагента в режиме «теплового насоса»

(10.19)

Тепловой поток в конденсаторе:

Q = m_x (i_2΄ – i₄) (10.20)

Расход низкопотенциальных ВЭР

(10.21)

Поверхность конденсатора

, (10.22)

где Δt_ср – средняя разность температур, определяется исходя из температурной схемы процесса(рис.52 ).

Движущую силу процесса теплопередачи в конденсаторе рассчитывают по зонам: для зоны охлаждения хладоагента, зоны конденсации и зоны переохлаждения. Для этого составляется тепловой баланс для каждой точки зоны:

Зона охлаждения хладоагента

Q₁ = m_x ∙ (i_2΄ - i_3΄) = G_ВЭР ∙ C_ВЭР (t_к - t˝) (10.23)

Зона конденсации хладоагента

Q₂ = m_x ∙ (i_3΄ - i_4΄) = G_ВЭР ∙ C_ВЭР (t^˝ - t^΄) (10.24)

Рис. 52. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности конденсатора.

Зона переохлаждения хладоагента

Q₃ = m_x ∙ (i_4΄ - i₄) = G_ВЭР ∙ C_ВЭР (t΄ - t_н) (10.25)

Определяют неизвестные температуры t^΄ и t˝ низкопотенциальных ВЭР и рассчитывают средние движущие силы в каждой зоне конденсатора. По уравнению (10.25) рассчитывают необходимые поверхности зон конденсатора, предварительно задаваясь значениями коэффициента теплопередачи:

Зона охлаждения хладоагента

К = 30 ÷ 40 Вт/(м²К);

Зона конденсации хладоагента

К = 800 ÷ 1200 Вт/(м²К);

Зона переохлаждения хладоагента

К = 300 ÷ 800 Вт/(м²К);

По рассчитанному значению поверхности конденсатора по каталогам подбирают стандартные аппараты.

Мощность, потребляемая компрессором

N = m_x (i_2΄ - i₁) (10.26)

Показатель эффективности «теплового насоса» (коэффициент трансформации) представляет собой отношение эффекта, созданного установкой, к затрате энергии на ее работу:

φ = Q/L = q/l = (i_2΄ - i₄)/( i_2΄ - i₁) (10.27)

Холодильный коэффициент «теплового насоса»:

ε = Q_o / (Q - Q_o) (10.28)

Тепловой поток при использовании низкопотенциальных ВЭР с поднятым энергопотенциалом:

Q΄ = G_ВЭР ∙ C_ВЭР (t_к - t΄_k) (10.29)