ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

Теплонасосные установки (ТНУ) используют естественную возобнов­ляемую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, воздуха, грунта) и повышают потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива. Теплонасосные установки работают по термодинамическому циклу Карно, в котором рабочей жидкостью служат низкотемпературные жидкости (аммиак, фреон и др.). Перенос теплоты от источника низкого потенциала на более высокий температурный уровень осуществляется подводом механической энергии в компрессоре (пароком - прессионные ТНУ) или дополнительным подводом теплоты (в абсорбцион­ных ТНУ).

Применение ТНУ в системах теплоснабжения - одно из важнейших пересечений техники низких температур с теплоэнергетикой, что приводит к энергосбережению невозобновляемых источников энергии и защите ок­ружающей среды за счет сокращения выбросов СО2 и NOx в атмосферу. Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах теп­лоснабжения в сочетании с другими технологиями использования возоб­новляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии) и по­зволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наи­более высоких экономических показателей.

Выберем в качестве рабочего хладагента - R 22, имеющего следующие параметры: расход хладагента Оа = 0,06 кг/с; температура кипения Т0 = 3 °С; температура конденсации Тк = 55 °С; температура теплоносителя на входе в испаритель от источника низкого потенциала Ґн = 8 °С; температу­ра теплоносителя (воды) на выходе из конденсатора f = 50 °C; расход теп­лоносителя в конденсаторе Ок = 0,25 кг/с; перепад температур теплоноси­теля в конденсаторе Д4 = 15 °C; мощность, потребляемая компрессором, N = 3,5 кВт; теплопроизводительность ТНУ = 15,7 кВт; коэффициент пре­образования цтн = 4,5.

Принципиальная схема парокомпрессионной ТНУ приведена на рис. 7.2 и включает испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель.

4 - расширительный дроссельный клапан; 5 - змеевик испарения хладаген­та;

6 - бак испарения; 7 - вода низкопотенциального источника энергии

(НИЭ);

8 - сток к НИЭ; 9 - вода из системы отопления или водопровода;

10 - вода на отопление или горячее водоснабжение; 11 - вентилятор

В бак испарения 6 поступает тепловая энергия низкого потенциала Q0 из окружающей среды при t'H = 8 °С. Преобразование рабочей жидкости R 22 (аммиака или фреона) теплового насоса в пар происходит в змеевике испарения хладагента 5 при пониженном давлении Рх и пониженной тем­пературе Т0 = 3 °С. Компрессор 1 всасывает из испарителя насыщенный пар со степенью сухости x1 и 1 и сжимает пар до давления Р2. При сжатии хла­дагента энтальпия і и температура пара повышаются до Тк = 55 °С, а затра­чиваемая работа Al = Ді, кДж/кг.

Пар с температурой Тк = 55 °С подается в змеевик конденсации хлада­гента 2, где тепловая энергия пара передается другому теплоносителю (во­де) бака конденсации 3 (схема а) или воздуху (схема б), после чего пар конденсируется при неизменном давлении Р2.

Коэффициент трансформации этого идеального цикла:

Цс = qK / Al = Тк /(Тк - Т0) = 328/(328 - 276) = 6,3,

Где qH - теплота конденсации, кДж/кг; Al - работа сжатия, кДж/кг; Тк и Т0 - температура конденсации и испарения хладагента, °С.

В дроссельном клапане 4 происходит понижение давления от Р2 до Р1, жидкий хладагент частично испаряется и образуется парожидкостная смесь со степенью сухости x0 и 0,05, а в процессе дросселирования (при і = const) температура хладагента снижается от Тк = 55 °С до Т0 = 3 °С. Парожидко - стная смесь поступает в змеевик испарения хладагента 5, где, получая теп­лоту от источника с низким потенциалом, вновь испаряется, и цикл повто­ряется. Таким образом, в ТНУ реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с более низкого температурного уровня на более высо­кий (к теплоносителю). Для этого подводится энергия извне, которая затра­чивается на повышение давления парообразного рабочего вещества (хлада­гента). Причем затраченная энергия может быть электрическая, тепловая и любая другая.

Количество теплоты, отнятой от источника с низким потенциалом (НИЭ), в идеальном цикле ТНУ равно теплоте испарения жидкого хлада­гента, поступившего в испаритель: qH = r(xj - x0), кДж/кг, где r - теплота парообразования. Холодильный коэффициент этого цикла

Єс = qn / Al = Т0 /(Тк - Т0) = 276/(328 - 276) = 5,3,

Где qH - теплота испарения хладагента, кДж/кг.

Для идеального (теоретического) цикла ТНУ и без учета потерь тепло­ты выполняется соотношение цс = єс + 1.

Мерой энергетической эффективности реальной ТНУ служит коэффи­циент преобразования энергии характеризующий отношение отданной потребителю теплоты бк к затраченной (механической или электрической) энергии Ыэ. Оценки показывают, что для удачно спроектированных систем теплоснабжения коэффициент изменяется от 2,5 до 6.8, а при > 2,5.3 использование ТНУ может оказаться выгоднее, чем теплоснабжение от ТЭЦ и индивидуальных котельных.

Количество переданной потребителю полезной теплоты, или тепло - производительность ТНУ зависит от расхода теплоносителя Ок, кг/с, сред­ней массовой изобарной теплоемкости ск, кДж/(кг-К) и перепада темпера­тур Д^, °С. Так, при нагреве воды по схеме а (рис. 7.2)

Бк = Ок ск Д^ = 0,25 • 4,19 • 15 = 15,7 кВт.

При нагреве воздуха по схеме б (рис. 7.2), когда расход холодного воздуха Ок = 0,5 кг/с, теплоемкость ск = 1 кДж/(кг • К) и перепад темпера­тур Дв = 25 °C, теплопроизводительность ТНУ составит

0к = Ок ск Д/в = 0,5 • 1 • 25 = 12,5 кВт.

Коэффициент преобразования энергии характеризующий отноше­ние отданной потребителю теплоты Qx к потребляемой компрессором элек­трической энергии N = 3,5 кВт, составит соответственно:

• для воды = QN = 15,7/3,5 = 4,5;

• для воздуха цтн = QJN^ = 12,5/3,5 = 3,6.

Следовательно, если на механическую работу компрессора расходует­ся 1 кВт электроэнергии, то в систему теплоснабжения передается 4,5 кВт теплоты, т. е. в несколько раз больше, чем при чисто электрическом отопле­нии. Работа электрического компрессора теплового насоса позволяет по­треблять в несколько раз меньше электрической энергии, если бы нагрева­ли теплоноситель системы теплоснабжения в теплообменнике простым электрическим нагревателем.

Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) с приводом от теплово­го двигателя (газовой турбины или дизеля) оказываются еще более эконо­мичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35 %, при работе в со­ставе ТНУ может быть утилизирована и направлена в общий поток нагре­ваемой ТНУ среды большая часть потерь, которые воспринимаются охлаж­дающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате коэф­фициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 раза, а экономичность ТНУ обеспечивается при цтн > 2.

По конструкции, принципу действия, составу оборудования, исполь­зуемым рабочим телам ТНУ практически не отличаются от широко распро­страненных холодильных машин. Тепловые насосы в сравнении с холо­дильными машинами работают в диапазоне более высоких рабочих темпе­ратур. Особенно выгодно применение тепловых насосов (ТН) при одно­временной выработке теплоты и холода, что может быть реализовано в ря­де промышленных и сельскохозяйственных производств, а также в систе­мах кондиционирования воздуха.

В условиях реальной рыночной экономики тепловые насосы имеют перспективу теплоэнергоснабжения в основных областях хозяйства: жи­лищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в курорт - но-оздоровительных и спортивных комплексах, сельскохозяйственном производстве.