Промышленная резка бетона: rezkabetona.su
На главную  Энергоэффективность 

Тепловые насосы

Мария Петрова
История энергосбережения

 

В 70-х ХХ в. во множественных странах Европы наступил энергетический кризис. В эти годы европейская наука обращается к проблеме энергосбережения. Благодаря разработке тепловых насосов и запуску соответствующей государственной программы по энергосбережению в течение десяти лет в странах Европы энергетические затраты на производстве снижаются фактически вдвое. Поскольку в России долгое время стоимость энергоресурсов была весьма низкой, вопрос о производстве тепловых насосов не рассматривался вообще, поскольку удельные капитальные вложения в теплонасосную технику были значительно выше, чем другие, менее эффективные способы энергосбережения. В таких энергоемких отраслях, как металлургическое и нефтехимическое производство в окружающую среду сбрасываются такие объемы тепла, которые снабжали бы теплом значительную часть миллионного города. В нашей стране долгие годы в большинстве энергоемких производств были установлены теплообменники. В каждом цехе на крупном производстве были установлены тысячи теплообменных аппаратов. После резкого спада объема производств во время перестройки удельные энергозатраты возросли в несколько раз. С увеличением тарифов за тепло проблема энергосбережения стала остроактуальной. Но для экономичности энергии нужны вложения. На данный момент у нас в стране существуют десятки технических разработок по экономичности тепла, которые ждут своего часа, средств для внедрения. Мы все так же продолжаем загрязнять атмосферу токсичными выбросами котельных и греть небо.

 

Тепловой насос - это устройство, позволяющее утилизировать для целей отопления и горячего водоснабжения низкопотенциальное (5-40°С) тепло сбросных и возобновляемых источников. В качестве таких источников могут рассматриваться хозбытовые и промышленные сточные воды, вода рек, озер, тепло грунта и артезианских скважин. Практическое развитие получили два основных типа тепловых насосов: парокомпрессионные и абсорбционные. В испарителе парокомпрессионного насоса происходит передача тепла от низкопотенциального источника к жидкому хладону, который кипит, превращаясь в пар. Затем пары хладона сжимаются в компрессоре с повышением давления. В цикле сжатия к приводу компрессора извне подводится механическая или электрическая энергия. Конденсируясь, пары хладона передают тепло носителю системы отопления. После этого жидкий хладон попадает в испаритель с понижением давления и цикл повторяется. Этот рабочий цикл обеспечивает передачу больших количеств тепла при относительно небольших затратах энергии на привод компрессора.
Основные типы тепловых насосов

 

Тепловой насос (ТН) - это термодинамическая система, позволяющая трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий. Данные машины предназначены для получения горячей воды и воздуха, пригодных для отопления и горячего водоснабжения. Необходимым условием для применения ТН является наличие низкотемпературного источника теплоты, непригодного по своим температурным параметрам для обогрева окружающей среды. В настоящее время в мире определилось два основных принципиальных направления в развитии ТН: парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) и абсорбционные тепловые насосы (АТН).
Парокомпрессионные тепловые насосы

 

По низкотемпературному источнику теплоты и нагреваемой среде ПТН делятся на типы вода-вода, воздух-вода, воздух-воздух, вода-воздух. По типу используемого компрессорного оборудования - на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессора - на электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или паровой турбины. В качестве рабочего тепла в данных машинах используются хладоны - преимущественно фторсодержащие углеводороды, так называемые фреоны.

 

Тепловой насос НТ-60 совмещает в одном аппарате две функции, холодильной машины и теплового насоса. Теплопроизводительность - 60 кВт, потребляемая мощность - 15 кВт, температура воды на входе в испаритель - 15°С, расход воды в испарителе - 10 м /ч, температура воды на выходе из конденсатора - 62°С, расход воды через конденсатор 10 м /ч, холодильный агент R134а.

 

Тепловой насос НТ-400 предназначен для высокоэкономичного преобразования больших количеств низкопотенциального тепла (5-40°С) в тепло более высокого температурного потенциала (более 60°С). Каждый киловатт энергии, затраченной на электропривод ТН-400, позволяет получить 4 кВт тепла. Теплопроизводительность - 400 кВт, потребляемая мощность - 132 кВт, температура воды на входе в испаритель - 20°С, расход воды в испарителе - 30м /ч, температура воды на выходе из конденсатора - 60°С, расход воды через конденсатор 30 м /ч, холодильный агент R134а.
Абсорбционные тепловые насосы

 

АТН делятся на два основных вида, водоаммиачные и солевые. В водоаммиачных абсорбентом является вода, а хладагентом аммиак. В солевых машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом вода. В мировой практике используют преимущественно солевые ТН. циклы переносы теплоты совершаются с помощью совмещенных прямого и обратного термодинамического циклов, в отличие от парокомпрессионных ТН, в которых рабочее тело (хладон) совершает только обратный термодинамический цикл. По отечественной классификации абсорбционные бромисто-литиевые машины подразделяются на повышающие и понижающие (более распространенные) термотрансформаторы. По виду потребляемой высокотемпературной теплоты АБТН подразделяется на машины с паровым (водяным) и с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе. По термодинамическому циклу АБТН бывают с одноступенчатой или двухступенчатой схемой регенерации раствора, и двухступенчатой абсорбцией. Схема работы бромисто-литиевого теплового насоса такова. В трубное пространство испарителя подается низкотемпературная вода, где она охлаждается за счет кипения в вакууме и стекает в виде пленки по межтрубному пространству. Образовавшийся при этом пар абсорбируется (поглощается) водным раствором бромистого лития, стекающим по межтрубному пространству. При этом раствор нагревается и его теплота отводится водой, протекающей внутри труб абсорбера. происходит перенос тепла с низкотемпературного уровня в испарителе на более высокий в абсорбере. Поглощая водяной пар, раствор бромистого лития становится слабым, снижается его концентрация. Для регенерации раствор подается через теплообменник в генератор, где он упаривается (концентрируется) за счет источника тепла или сжигаемого газообразного или жидкого топлива. Крепкий раствор подается в абсорбер через теплообменник. Полученный в генераторе пар направляется в межтрубное пространство конденсатора. Нагреваемая вода подается в абсорбер и конденсатор и отдается потребителю. Все циклы протекают под вакуумом.
Энергетическая эффективность ТН

 

Парокомпрессионные и абсорбционные ТН потребляют разные виды энергии: ПТН - механическую (электрическую), АТН - тепловую. Поэтому удельным показателем для сравнения может быть расход топлива на выработку теплоты. Такой подход правомерен, поскольку в России базовыми электростанциями являются тепловые. k преобразования ПТН зависит в основном от величины перепада температур м. нагреваемой и охлаждаемыми средами. Чем больше перепад, тем ниже эффективность ПТН. В зависимости от этого перепада в случае с АБТН применяют машины с разными типами регенерации раствора и схемой абсорбции. После расчетов целесообразности использования разных типов насосов в качестве автономного источника горячей воды, выяснилось, что ПТН с электроприводом от ТЭЦ при коэффициенте преобразования энергии 2,6-3 по сравнению с котлом экономию топлива не даёт. С приводом компрессора от двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины продуктов сгорания топлива и системы охлаждения двигателя дает значительную экономию уже при коэффициенте 1, но экономическая целесообразность применения данного типа ТН должна определяться на основе технико-экономических расчетов, т. к. удельные капиталозатраты на данный тип ТН в несколько раз выше затрат на котел. Применение ПТН с низким коэффициентом приводит к неоправданно высоким срокам окупаемости вложений. АБТН всех типов по сравнению с котлом умеют удельный расход топлива на 40-55% ниже, что означает эффективность использования топлива в АБТН в 1,7-2,2 раза выше, чем в котле. При этом себестоимость производимой в АБТН теплоты на 25-30% ниже, чем в котле. Особо стоит рассмотреть эффективность ТН в составе ТЭЦ. В условиях существующих ТЭЦ часто возникает необходимость увеличения мощности теплофикационного отбора станции. эту проблему решают установкой дополнительных пиковых котлов. Теплофикационную мощность станции можно существенно увеличить с помощью ТН без увеличения расхода топлива. При этом себестоимость дополнительной теплоты при существующих ценах на АБТН составляет 60-80 руб/Гкал, а срок окупаемости вложений не превышает 1-2 лет.

 

Объединение в рамках одной теплопроизводящей установки теплоисточника на привозном органическом топливе и теплового насоса на базе местных возобновляемых или сбросных источников низкопотенциального (5-40°С) тепла - это один из эффективных способов одновременного повышения надежности, сокращение потребления органического топлива и уменьшения загрязнения окружающей среды. Основным достоинством такой термокотельной является принцип. возможность покрытия относительно небольшими по мощности тепловыми насосами, работающими в базовом режиме, значительной части сезонной отопительной нагрузки около 88%. При совместной работе теплового насоса с электроприводом и котла можно снизить потребление угля и уровень вредных выбросов в атмосферу фактически в десять раз.
АТТ: теория и практика

 

Несмотря на бурные дискуссии об актуальности проблемы энергосбережения и экологии, развитие абсорбционной теплонасосной техники в России находится в зачаточном состоянии. Причиной этого является не только недостаток средств, но и особенности нашей энергетики, и климатические условия страны. Использование тепловых насосов представляет собой двухцелевую систему: выработка холода для систем кондиционирования и использование теплоты окружающего воздуха для отопления помещений. Этот класс машин не годится для температуры -20°С, обычной для наших широт, поэтому парокомпрессионные тепловые насосы нашли у нас более широкое применение. Шведский опыт демонстрирует, что для выработки тепла на горячее водоснабжение и отопление можно использовать температуру воды +4°С. Но такое решение оптимально в случае, когда основным источником электроэнергии является ГЭС и АЭС. В большинстве регионов России основным источником энергии являются тепловая энергетика (ТЭЦ), поэтому использовать тепло морской воды с помощью парокомпрессионных электроприводных тепловых насосов экономически нецелесообразно - не происходит экономичности топлива. Вот почему наиболее перспективным для российских широт является абсорбционный класс машин.

 

Абсорбционные технологии нашли широкое применение во всем мире в большей степени в качестве охладительного оборудования. Первые такие трансформаторы теплоты (АТТ) были разработаны в XIX веке. Несмотря на продолжительную историю АТТ, в ХХ веке основным холодильным оборудованием являлись парокомпрессионные холодильные машины с электрическим приводом. Бромисто-литиевые трансформаторы теплоты (АБТТ) стали альтернативой электроприводным охладителям. В 1999 году в мире было произведено около 12 тыс. единиц АБТТ средней и крупной мощности, а 2001 году их мировое производство достигло 15 тыс. единиц. базовой прирост приходится на Южную Корею и Китай. Такое широкое распространение производства АБТТ объясняется высокими потребительскими качествами: экологическая чистота, минимальное потребление энергии, бесшумность работы, длительный срок службы. Рабочим веществом АБТТ является вода, а абсорбентом - водный раствор соли бромида лития (нетоксичное, пожаробезопасное вещество). Все циклы в АБТТ протекают под вакуумом, что исключает попадание вещества на внешние теплоносители. Использование АБТТ позволяет экономить 180-200 кВт/ч электроэнергии на каждые 1000 кВт/ч произведенного холода. Поскольку хладагентом является вода, то машины этого типа не влияют на озоновый слой атмосферы и не создают парникового эффекта, как парокомпрессионные машины. Кроме этого имеется принцип. возможность одновременного нагрева разной воды, например, для горячего водоснабжения и отопления. Тепловые насосы типа АБТН-П и АБТН-Т могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения воды в технологических целях. Себестоимость дополнительной утилизируемой теплоты, получаемой в АБТН с паровым (водяным) обогревом, при существующих ценах на отечественные АБТТ составляет 65-85 руб/Гкал в зависимости от конкретных условий размещения теплонасосной установки. Срок окупаемости такого энергоносителя составляет от 2 до 4 лет в зависимости от теплоты замещаемого источника. С ожидаемым ростом цен в России на энергоносители эффективность применения абсорбционных машин будет возрастать.
40 лет спустя: состояние проблемы

 

Абсорбционная теплонасосная техника

 

В настоящее время основными производителями абсорбционной теплонасосной техники являются фирмы Японии и США (Hitachi, Sanyo, Daikin, Kawasaki, Ebara, Carrier, York и другие). В ряде индустриально развитых стран имеются специальные государственные программы по развитию абсорбционных теплонасосных установок. Так, так же с 1979 года в Японии в рамках проекта Лунный свет разработаны и внедряются крупные (мощностью более 300 кВт) АБТН.

 

Производство АБТТ в СССР было впервые начато в 60-х гг на заводе Пензхиммаш, где серийно выпускались холодильные машины мощностью 1100 и 3000 кВт. Всего было выпущено около 600 АБТТ. К концу 80-х годов выпуск был прекращен из-за низких потребительских качеств. Отечественные машины существенно уступали импортным по габаритам, массе, сроку службы, уровню системы контроля и качеству изготовления. Работы по созданию абсорбционных машин нового поколения начались только в середине 90-х по инициативе Академика В.Е.Накорякова, который создал специальное конструкторское бюро (ООО ОКБ Теплосибмаш). Работы велись под научным руководством Института теплофизики СО РАН совместно с Санкт-Петербургским университетом низкотемпературных и пищевых технологий при финансовой поддержке РАО ЕЭС России совместно с АДС Теплосиб, АО Новосибирскэнерго, АО Алтайэнерго. В результате был создан и испытан ряд опытных образцов АБТТ различных типов машин. В 1994 году разработан насос мощностью 25 кВт, а в конце 1995 - уже мощностью 2000 кВт. АБТН-2000Г (тепловой насос на газообразном жидком топливе). Его испытания были проведены на Новосибирском металлургическом заводе в цехе горячей прокатки. Затем на Барнаульском заводе синтетического волокна проведены испытания генератора теплового насоса с топкой на мазуте (АБТН-2000 М). Успешно эксплуатируется тепловой насос с паровым обогревом мощностью 2000 кВт (АБТН-2000 П) на Новосибирской ТЭЦ-4 с января 1999 г.

 

Парокомпрессионная теплонасосная техника

 

Реализация концепции создания термокотельных (комбинированных теплоисточников) осуществляется в настоящее время при финансовой поддержке администрации НСО в с. Козино Усть-Тарского района, где в помещении котельной совместно работает насос НТ-700 мощностью 0,6 Гкал/ч и угольные котлы. В реализации идеи совмещенных источников тепла СКБ ИПИ помогают Сибирский энергетический институт им. Л. А. Мелентьева (г. Иркутск) и Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН, и предприятие по производству оборудования для ЖКХ - ЗАО Сибтепломонтаж. (г. Новосибирск). В разработке, создании и внедрении парокомпрессионных тепловых насосов активно участвуют новосибирские фирмы ООО СКБ ИПИ, ЗАО Энергия, ООО Теплосибмаш. Их разработки являются практической реализацией многолетних фундаментальных прикладных исследований, проводимых Институтом теплофизики СО РАН. Несмотря на налаживание производства, теоретическая исследовательская работа продолжается. Научные исследования в этой области сейчас продолжаются в рамках интеграционного проекта, в котором участвуют три академических института СО РАН. Среди прикладных разработок, доведенных до практической реализации, отличаются работы СКБ ИПИ - самостоятельного производственно-технологического и внедренческого подразделения Института перспективных исследований. В городе Мирный Республики Саха (Якутия) в 2003 году осуществлен типовой проект создания теплонасосной станции мощностью 1,6 Гкал/ч на базе четырех насосов НТ-40 Проект может быть типовым для целого ряда промышленных предприятий сибирского региона. Совместно с МУП Горводоканал г. Новосибирска впервые в России в 2002 году реализован проект автономного теплоснабжения канализационно-насосной станции на базе тепла неочищенных сточных вод с применением теплового насоса НТ-60, который удостоился большой золотой медали Сибирской ярмарки в номинации Энерго- и ресурсосбережение. На базе этих насосов в 2003 году запущена в эксплуатацию теплонасосная установка на сточных водах в г. Новокузнецке для отопления промышленного предприятия. Проект начинает работать в рамках вертикально интегрированной структуры: от научных и проектных до производственных и внедренческих предприятий, которые решают вопросы эксплуатации тепловых насосов в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве сибирского региона. Также ведутся работы с ведущими предприятиями Иркутской области (ОАО Иркутскэнерго, ОАО Саянхимпласт, ООО Усольехимпром, ОАО Байкальский ЦБК, ОАО Ангарский нефтехимический комбинат и др.), Красноярского края (ОАО Ачинский горноземный комбинат), Алтайского края (МУП Барнаульский водоканал, Республики Алтай (Минстройжилкомхоз), Самарской области (ОАО АвтоВАЗ), Тюменской области (ЖКХ Ханты-Мансийского района), Хабаровского края (МУП Водоканал) и др.

 

Эффективность каждого вида (абсорбционного и парокомпрессионного) теплонасосного оборудования зависит от конкретных условий объекта и требует точного технико-экономического анализа с учетом различных принципов работы оборудования, обуславливающих разные энергозатраты и разную себестоимость единицы получаемого тепла. В каждом отдельном случае следует рассчитывать конкретную экономическую и энергетическую выгоду, эксплуатационные затраты. Этот фактор - единственный и базовой критерий при установке любого теплового оборудования.

 



Газ угрожает экономике. Полцарства — «Газпрому»! по результатам трехчасового общения президентов Украины и России Виктора Ющенко и Владимира Путина в Москве было объявлено о согласовании принципов сотрудничества в газовой сфере м. РФ и Украиной, а также о решении создать два. Зря Прометей украл огонь у богов. Следующий пузырь надуется на рынке альтернативных источников энергии Бум высоких технологий на рубеже веков создал рыночную стоимость в размере $7 трлн., пузырь на рынке недвижимости привел к появлению иллюзии богатства на сумму $12 трлн.

На главную  Энергоэффективность 





0.0123
 
Яндекс.Метрика