Считается, что история ТН началась в 1852 г., когда Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил устройство, которое назвал умножителем теплоты, и показал, как можно эффективно использовать холодильную машину для целей отопления. С тех пор принцип действия парокомпрессионного ТН не претерпел существенных изменений [1].

В результате подвода низкопотенциальной теплоты (НПТ) в испаритель ТН ( происходит кипение рабочего тела. Пары его сжимаются в компрессоре с повышением энтальпии и температуры за счёт работы сжатия. В конденсаторе теплота фазового перехода рабочего тела передаётся технологическому теплоносителю. На 2 изоражён круговой цикл идеальной парокомпрессионной ТН-установки в T-S диаграмме.

Основное назначение всех промышленных ТН — использование сбросной теплоты для теплоснабжения технологических циклов, отопления и ГВС. Если температура сбросных потоков доста­точно высока, то можно использовать их теплоту и без ТН — путём передачи в другой цикл (т.н. каскадирования теплоты) с помощью теплообменников или котлов-утилизаторов. ТН применяются лишь , когда температура сбросного потока не позволяет передать его теплоту в другой цикл. Такие случаи имеют широкое распространение, ибо количество сбросной теплоты особенно велико при низких температурах. Для иллюстра­ции приведён 3 (заимствованный в [2] у аме­риканских исследователей). Из графика видно, что при температуре ниже 100°С сбрасывается ок. 1019Дж теплоты ежегодно. Это потенциальный ист. НПТ для промышленных ТН с фреонами в качестве рабочего тела. При более высоких температурах чаще используются ТН открытого цикла (с рекомпрессией пара).

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 году 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в раз­витых странах будет осуществляться с помощью ТН. Этим прогнозам, несомненно, суждено успешное подтверждение. все - таки уже сейчас в мире работают [3] ок. 20 млн. ТН различной мощности — от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Количество теплоты, вырабатываемой ТН-установками в Швеции, составляет -50% требуемого.

ТН-установки, осуществляя обратный термоди­намический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, по­вышают её потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2-2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива Основной термодинамической характеристикой ТН является коэффициент преобразования, который определяется отношением количества теплоты, отданной в конденсаторе, к работе, затраченной в компрессоре, и для идеального ТН выражается формулой: фид - Тк / (Тк - Ти), где Тк и Ти -температуры конденсации и испарения.

Основное назначение всех промышленных ТН — использование сбросной теплоты для теплоснабжения технологических циклов, отопления и ГВС. Если температура сбросных потоков достаточно высока, то можно использовать их теплоту и без ТН — путём передачи в другой цикл (т.н. каскадирования теплоты) с помощью теплообменников или котлов-утилизаторов. ТН применяются лишь тогда, когда температура сбросного потока не позволяет передать его теплоту в другой процесс. Такие случаи имеют широкое распростране­ние, ибо количество сбросной теплоты особенно велико при низких температурах. Для иллюстрации приведён рис. 3 (заимствованный в [2] у американских исследователей). Из графика видно, что при температуре ниже 100°С сбрасывается ок. 1019Дж теплоты ежегодно. Это потенциальный ист. НПТ для промышленных ТН с фреонами в качестве рабочего тела. При более высоких темпера­турах чаще используются ТН открытого цикла (с рекомпрессией пара).

В последнее время отпуск теплоты на ТЭС РАО «ЕЭС России» составлял 600-650 млн. Гкал, а на районных котельных ок. 50 млн. Гкал в год. Вы­брос НПТ в системах охлаждения технической воды оценивается величиной 140-150 млн. Гкал, что эквивалентно 24-26 млн. т у.т. [3].

Наибольшее количество ТН «трудится» в эко­номически развитых странах для отопления, ГВС и ЦТ (централизованного теплоснабжения). Кли­матические условия этих стран в зимний период более мягкие, чем у нас. Поэтому там источником НПТ для ТН индивидуального пользования, как правило, служит наружный воздух. Наряду с ним используются теплота грунта, грунтовых вод, водоёмов, а также сбросная теплота.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 году 75% теплоснабже­ния (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью ТН. Этим прогнозам, несомненно, суждено успеш­ное подтверждение. Ведь уже сейчас в мире работают [3] ок. 20 млн. ТН различной мощности — от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Коли­чество теплоты, вырабатываемой ТН-установками в Швеции, составляет -50% требуемого.

ТН-установки, осуществляя обратный термоди­намический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают её потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2-2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива [3].

Итак, в настоящее время во множественных странах ТН широко применяются с целью энергосбережения для замещения дефицитного топлива или тепла. (В основном используемые ТН — парокомпрессионноготипа.)

В Беларуси известен опыт УП «Минскводоканал» [4], но другие примеры удачной эксплуатации ТН у нас пока встречаются гораздо реже, чем следовало бы. Одной из причин такого положения является отсутствие чётких критериев, позволяющих определять область эффективного применения ТН.

На эффективность ТН влияют как внутренние, так и внешние факторы. Внутренние определяют энергетическое совершенство тепловой машины и зависят от комплектующего оборудования и рабочего вещества. Внешние включают состояние окружающей среды и стоимостные показатели. Эти факторы взаимосвязаны и требуют комплексного рассмотрения.

Эффективность ТН зависит и от стоимостных показателей, от соотношения цен на оборудова­ние и энергоресурсы. Однозначные выводы о ней делать сложно из-за различий в экономике и приоритетах в энергетической политике отдельных стран. Ведь кое-где внедрение ТН дотируется государством, например (данные за 1995 г.): в Германии из расчёта 300 марок на 1 кВт установленной мощности, в Швейцарии —• 270 франков [5].

Вопрос о возможности утилизации теплоты является комплексным, он тесно связан с работой теплопотребляющих технологических установок, Для определения целесообразности применения ТН необходимо принять во внимание:

• совпадение по времени выхода сбросных тепловых потоков и потребления теплоты;

• место выхода сбросных тепловых потоков и место потребления теплоты;

• фазу носителя сбросной теплоты (твёрдая,жидкая, газообразная);

• расход сбросных потоков и потребность в теплоте;

• потенциал сбросной и потребной теплоты.

Конкурировать с ТН в деле утилизации теплоты могут регенераторы и рекуператоры. Теплооб­менник проще в монтаже и быстрее окупается, но применение его во множественных случаях оказывается ограниченным — особенно при низкой (30-50°С) температуре сбросного потока. ТН оказывается предпочтительнее, если нужно вырабатывать не только теплоту, но и холод. Часто наиболее рациональным решением может явиться сочетание ТН с теплообменником. Как правило, выгодна установка аккумуляторов, которые, кроме аккумулирования теплоты, уменьшают количество включений и отключений ТН.

Внедрение ТН на предприятиях пищевой промышленности особо актуально, т.к. там в техноло­гических циклах требуются и тепло, и холод.

Сейчас ОАО «Оргпищепром» совместно с Объединённым институтом энергетических и ядерных исследований - Сосны НАНБ ведёт исследования на РУП «Клецкий консервный завод».

Для охлаждения продукции в автоклавах за­вод применяет водопроводную воду {питьевого качества), которая подаётся непосредственно в автоклав после стерилизации. Температура на вхо­де +18°С, на выходе в первоначальный момент +100°С, а к концу цикла (цикла) снижается до +60°С. Продолжительность цикла 30 мин. Объём воды, сбрасываемой в канализацию за один цикл, — 5 м Потери весьма существенны, ведь за сутки совершается в среднем 7-8 циклов, т.е. в канали­зацию уходит 35-40 м3 воды! Если собрать и утилизировать всё бросовое тепло, то за сутки можно сэкономить до 230 кг у.т., а кроме того, вернуть воду в оборот (необходимость чего не нуждается в доказательствах). За год ожидаемая экономия по топливу может составить до 55 т у.т., по воде — до 9-10 тыс. м Приведённые цифры пока остаются на бумаге, ибо «затея» ещё не вышла из ста­дии разработки, но даже в первом приближении экономический эффект от внедрения данного ме­\роприятия очевиден.

На заводе имеется своя котельная. Здесь тоже есть бросовое тепло, которое нужно утилизировать. И можно, применив теплоутилизацион­ную установку для глубокого охлаждения уходящих продуктов сгорания (см. рис. . На Ульяновской ТЭЦ-3 [6] такая выполнена на базе биметаллического калорифера КС-4-11-02 ХЛЗ, изготовленного Костромским калориферным заводом, «об­служивает» в паровой части этой ТЭЦ три котла ДЕ-10-14ГМ, работающих на природном газе, и улучшает экологическую обстановку.

ЛИТЕРАТУРА

1.Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы.— М.: Энергоиздат, 1982.

Palmer J.D. Turbonetics Energy // Turbomachinery Int.— Jan/Feb. 1982.

Калнинь И.М., Савицкий И.К. Тепловые насосы: вчера, на данный момент, завтра // Холодильная техника.—2000.—№10.

Жидович И.С., Белый В.Я. Применение тепловых насосов для теплоснабжения объектов ВКХ городов // Энергия и менеджемент.— 2003.— №5.

Володин В.И. Влияние внутренних и внешних факторов на эффективность тепловых насосов // ПРЕПРИНТ ИПЭ-22.— Мн.: ИПЭ АНБ, 1996.

Кудинов А.А. и др. Энергосбережение в газифицированных котельных установках путём глубокого охлаждения продуктов сгорания // Теплоэнергетика.—2000.—№1.

ЛИТЕРАТУРА

Palmer J.D. Turbonetics Energy // Turbomachinery Int.— Jan/Feb. 1982.

Жидович И.С., Белый В.Я. Применение тепловых насосов для теплоснабжения объектов ВКХ городов // Энергия и менеджемент.— 2003.— №5.

Кудинов А.А. и др. Энергосбережение в газифицированных котельных установках путём глубокого охлаждения продуктов сгорания // Теплоэнергетика.—2000.—№1.