Машины и системы низкопотенциальной энергетики (Часть 3)

При использовании низкопотенциальной теплоты ВЭР и других источников наибольшее распространение получили тепловые насосы компрессорного типа. При отводе теплоты от источников низкого температурного потенциала и затрате механической (электрической) энергии в них получают теплоту с такой температурой, при которой её можно использовать для отопления, горячего водоснабжения или для производственных нужд. Наиболее благоприятны условия применения тепловых насосов для одновременного получения теплоты и холода там, где отношение потребности в них близко к отношению теплопроизводительности теплонасосного цикла и холодопроизводительности. В машине в данном случае осуществляется комбинированный (теплофикационный) цикл с переменными температурами источников. Циклы холодильных машин могут иногда рассматриваться как теплофикационные, если используется теплота нагнетаемого компрессором газа (воздушная холодильная машина, паровая с перегревом пара в процессе сжатия). Применение холодильных машин для теплофикационных целей на объектах, потребляющих холод и теплоту, дает энергетический и экономический эффект.

Особенно эффективно использование тепловых насосов в системах круглогодичного кондиционирования воздуха, применяют их для различных технологических нужд, в технике опреснения и выпаривания водных растворов. За рубежом значительное распространение получили теплонасосные машины для нагрева воздуха в холодное время года и охлаждение его в летний период в одноквартирных домах и отдельных комнатах. Их применяют для сушки зерна, в системах тепло- и хладоснабжения чайных фабрик, в системах горячего водоснабжения бань, для термообработки молока (подогрева его в процессе пастеризации и доохлаждения ледяной водой из испарителя теплового насоса) и других целей.

Для тепловых насосов, потребляющих механическую энергию, величиной характеризующей их эффективность, является коэффициент преобразования, т.е. отношение полученной теплоты к затраченной работе µ = (Qк/L) > 1. В качестве рабочих веществ в тепловых насосах применяют R717, R22, R142, R11, R134a, смеси хладонов, CO2 и другие рабочие вещества. Коэффициент преобразования теплоты зависит от параметров внешних источников - температур воды на входе в испаритель ts1 и на выходе из конденсатора tw2. Величина µ существенно зависит от повышения температуры в тепловом насосе, представляющая собой разность температур Δt = tw2 - tws1. Повышение указанной разности температур от 20 до 80 °С, т.е. в четыре раза, приводит снижение величины µ от 6,0 до 1,7, т.е. в 3,5 раза. Тепловые насосы средней ступени работают по обычной одноступенчатой схеме, а тепловые насосы высокой температуры выполняют по каскадной схеме с использованием в нижней ветви каскада рабочих веществ среднего давления (R717, R22 и др.), а в верхней ветви - смеси R142 и R11 или других рабочих веществ. Отечественные тепловые насосы работают по одноступенчатому регенеративному циклу как в режиме теплоснабжения с получением горячей воды от 45 до 58 °С при температуре кипения в испарителе не ниже 6 °С, так и в режиме хладоснабжения с получением хладоносителя с тем с температурой до -25 °С при охлаждении конденсатора водой не выше 30 °С. Отечественные тепловые насосы состоят из компрессорно-конденсаторных, испарительно-ресиверных агрегатов, станций переключения и щитов управления и сигнализации. Конденсаторы и испарители - кожухотрубного типа.

Широкое внедрение тепловых насосов в нашей стране сдерживается главным образом по следующим причинам: сравнительно низкая по отношению к электроэнергии стоимость топлива; незначительная распространенность систем электрообогрева и установок кондиционирования воздуха, замена которых теплонасосными установками может привести к наибольшему эффекту; отсутствие низкотемпературных систем отопления в децентрализованном теплоснабжении, в сочетании с которыми применение тепловых насосов наиболее выгодно. Однако повышение стоимости топлива в последние годы приводит к необходимости тщательного анализа возможности использования тепловых насосов для конкретных объектов, располагающих низкопотенциальными источниками теплоты.

Несмотря на то, что всегда µ > 1, делать вывод о безусловной целесообразности применения теплового насоса преждевременно. Необходимо иметь в виду, что действительный коэффициент преобразования зависит от многих факторов: температурного режима работы, вида термодинамического цикла, свойств рабочего вещества, объёмных и энергетических коэффициентов компрессора и др. Поэтому для первоначальной оценки эффективности теплового насоса следует исходить из условия получения в нем максимально возможной величины µ при заданном режиме работы.     

Затем необходимо сравнить теплоснабжение с помощью теплового насоса с теплоснабжением на базе котельных с учетом КПД котельных, стоимостных показателей на топливо, электроэнергию, капитальных и других затрат.

Наибольшей энергетический и экономический выигрыш от тепловых насосов может быть достигнут применением комплексных систем тепло- и хладоснабжения при получении холода на любом из возможных для данной системы температурном уровне. Такие системы перспективны для многих производств химических, нефтеперерабатывающих и других отраслей промышленности, которые располагают источниками низкопотенциальной теплоты (например, водой, нагретой в процессе охлаждения технологических аппаратов). Тепловой насос в этом случае может выполнять функции теплоснабжения и оборотного охлаждения воды, подаваемой в технологические аппараты. Такое совмещение выгодно с точки зрения экономии капитальных затрат и эксплуатационных затрат, а также потому, что система водоснабжения становится замкнутой и резко сокращаются потери воды, испаряющейся в градирнях. Экономический эффект при охлаждении воды в тепловых насосах вместо градирен значительно возрастает при приближении температуры охлажденной воды к нижнему температурному пределу возможностей градирен.

При решении вопроса об эффективности применения тепловых насосов, а также при выборе его параметров для конкретных условий эксплуатации необходимо учитывать график теплопотребления в течение года. В ряде случаев бывает нецелесообразно покрывать тепловым насосом пиковые нагрузки, особенно при кратковременном их характере, так как в остальное время он будет работать в невыгодном нерасчетном режиме. В этом случае более выгодно дополнительно подогревать теплоноситель либо вторым каскадом теплового насоса, либо традиционным источником теплоты.

 

Источник:

Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур».

Авторы: А.В. Бараненко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, Л.С. Тимофеевский;

Под общей редакции Л.С. Темофеевского

Издательство «Политехника».