Эффективность использования низкопотенциального те- пла с помощью ТНУ

Принцип действия и процесс в Ts – диаграмме для простейшего па- рокомпрессионного ТН приведены на рис. 5.3.1.

Работа ТН осуществляется за счет подведенной к компрессору электроэнергии. В процессе 1-2 (в компрессоре) повышается давление

рабочего вещества с

p 0 до

p к. Затем в процессе 2-3 (в конденсаторе)

при p к

const =происходит охлаждение и конденсация рабочего вещест-

ва, с отводом тепла

q в (Q в), которое передается потребителю.

 

Рису. 5.3.1. Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН)

и процесс в Ts – диаграмме:

КМ – компрессор; К – конденсатор; Др – дроссель; И – испаритель;

к , p к – t давление и температура в конденсаторе;     0, p 0

испарителе

– t давление и температура в

 

В процессе 3-4 происходит расширение (дросселирование рабоче-

го вещества с

p к до

p ₀, а в процессе 4-1 в испарителе рабочее вещест-

во испаряется при

t ₀ за счет подведенного тепла

q ₀ (Q ₀) от НПИТ. Это

количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на темпе- ратурный уровень T в.

Фактор, который характеризует энергетическую эффективность, т. е. отношение полученной и использованной энергии, выражается ве- личиной

e = h×

TK,

T 0 - TK

(5.3.1)

где h – КПД двигателя компрессора и циркуляционной системы;

T K – температура вещества после сжатия – на выходе, K;

T ₀ – температура вещества перед сжатием – на входе, K.

Эффективность производства тепла на основе тепловых насосов, использующих первичную энергию от различных источников, показана на рис. 5.3.2. Очевидно, что на единицу затраченного исходного топли-

ва Q т

потребитель получает в 1,1–2,3 раза больше тепла

Q в, чем при

прямом сжигании топлива. Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что ТНУ вовлекает в полезное использование

низкопотенциальное тепло

Q 0 техногенного происхождения (промыш-

ленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т. д.) или естествен- ного происхождения (тепло грунта, грунтовых вод, природных водо- емов, солнечной энергии и др.).

 

Рис. 5.3.2. Принципиальные схемы и эффективность производства тепла

с использованием ТНУ

 

Эффективность работы теплового насоса оценивается коэффициен- том φ (рис. 5.3.3), показывающим во сколько раз больше производится энергии (тепловой) в сравнении с затраченной (электрической) на при- вод компрессора, зависящий от температуры охлаждаемой воды.

Уже при температуре охлаждаемой воды 20–30 °С коэффициент φ находится в диапазоне 5,3–6,6, то есть для получения 1 Гкал тепловой энергии необходимо затратить примерно 150–200 кВт·ч электроэнергии. Еще более высокие значения коэффициента φ (до 8–9 и выше) можно получить при использовании в испарителе ТНУ воды с температурой

~50 °С.

При одинаковой теплопроизводительности, например 1 Гкал/ч (1,16 МВт), удельная экономия топлива при использовании ТНС соста- вит по сравнению: с электроотоплением 0,277–0,335 т у.т.; с котельной

на каменном угле (КПД 0,65) 0,113–0,121 т у.т; с котельной на природ- ном газе (КПД 0,8) 0,072–0,130 т у.т., где первое значение относится к использованию в тепловом насосе низкопотенциального источника теп- ла с температурой 5 °С, второе – с температурой 40 °С.

Рис. 5.3.3. Зависимость эффективности теплового насоса от температуры низкопотенциального источника

 

При среднегодовом коэффициенте трансформации φ = 3–4, эконо- мия топлива от применения ТН по сравнению с котельной составляет 30–40 % (в среднем 6–10 кг у.т/ГДж).

При изменении φ от 2 до 5 экономия топлива возрастает от 3 до 30 кг у.т/ГДж при сопоставлении с котельными на органическом топли- ве и от 45 до 70 кг у.т/ГДж по сравнению с электрокотельными.

Таким образом, ТН в 1,2–2,5 раза выгоднее котельных. Стоимость тепла от ТН примерно в 1,5 раза ниже стоимости тепла от централизо- ванного теплоснабжения и в 2–3 раза ниже угольных и мазутных ко- тельных.

Если принять, исходя из данных литературы, что эффективность использования тепловых насосов в системе отопления составляет 45–60 %, а по выработке тепла для горячего водоснабжения и техноло- гии ~80–90 %, то при мощности ТНУ 1 Гкал/ч годовая полезная выра- ботка тепла для системы отопления составит – ~4000 Гкал/год. При су- ществующих тарифах на тепловую и электрическую энергию срок оку- паемости ТНУ составит ~ 2–2,5 года. Для технологии и ГВС годовая

выработка тепла может достигать 8000–8300 Гкал/год, что снижает срок окупаемости до 1,5–2 лет.

По предварительным расчетам технически реализуемый потенциал низкопотенциального тепла ТЭЦ в системах централизованного тепло- снабжения за счет применения ТНУ оценивается в размере не менее 70–80 млн. Гкал в год. Это равносильно годовой экономии

12–14 млн т у.т. органического топлива. Потребляемая мощность на

привод компрессоров ТНУ составит на уровне 2,3–2,5 тыс. МВт при общей тепловой мощности ТНУ около 14 тыс. Гкал/ч.

 

Тепловые насосы за рубежом

Тепловые насосы нашли широкое применение за рубежом, если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Япо- нии 0,5 млн, в Западной Европе 0,15 млн., то в настоящее время общее количество работающих ТНУ в развитых странах превысило 15 млн, а ежегодный выпуск составляет более 4 млн. шт. В Швеции 50 % всего отопления обеспечивают тепловые насосы; в Стокгольме 12 % всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощно- стью 320 МВт, использующими в качестве низкопотенциального источ- ника тепло вод Балтийского моря с температурой 80 °С.

По данным базы знаний, разработанной Уфимским ГАТУ и Инсти- тутом механики РАН, проблема внедрения в промышленность преодо- левались за рубежом предоставлением в течение нескольких лет льгот предприятиям, внедряющим ТНУ. В большинстве стран Западной Ев- ропы на прибыль, получаемую от применения тепловых насосов, уста- навливался меньший налог, а в некоторых странах делались прямые финансовые дотации.

Например, в Австрии сейчас работает 105 тыс. ТНУ, дающих еже- годную экономию 116 тыс. т мазута.

За рубежом ТН выпускают фирмы: «Carrier», «Lennox», «Вестинга-

уз», «Дженерал Электрик» (США), «Hitachi», «Daikin» (Япония),

«Sulzer» (Швейцария), «4КД» (Чехословакия), «Klimatechnik» (Герма-

ния).

 

Тепловые насосы в России

Использование теплонасосных установок является типовым меж- отраслевым энергосберегающим мероприятием и ему должно быть го- сударством уделено значительно больше внимания, чем это делается в Федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика».

Россия существенно отстает в этой сфере даже от малых стран. Так, общая тепловая мощность всех ТНУ в России составляет около 52 МВт (меньше, чем в Люксембурге). Между тем, с учетом более жестких кли- матических условий и более продолжительного отопительного периода экономическая и экологическая эффективность от применения ТН будет намного выше, чем в странах Европы, США и Канаде.

Причин нашего отставания в производстве и использовании ТНУ несколько: традиционная ориентация на централизованное теплоснаб- жение; неблагоприятное соотношение между стоимостью электроэнер- гии и топлива: изготовление ТНУ осуществляется, как правило, на базе наиболее близких по параметрам холодильных машин, что не всегда приводит к оптимальным характеристикам ТНУ; отсутствие каких-либо льгот со стороны государства, стимулирующих применение ТНУ. Не последнюю роль играет, большая новизна и непривычность этой техни- ки для наших потребителей.

В настоящее время в России ТНУ изготавливаются по индивиду- альным заказам различными фирмами. Это ЗАО «Энергия» и ООО

«Термонасос» (г. Новосибирск), завод «Компрессор» (г. Москва), Ры- бинский приборостроительный завод. В Нижнем Новгороде фирмой

«Тритон» выпускаются ТНУ теплопроизводительностью

Q в от 10 до

2000 кВт/с с мощностью компрессоров веществом служит R 142; φ ~3.

N э от 3 до 620 кВт. Рабочим

Некоторые фирмы используют отечественные холодильные маши-

ны без дополнительных переделок шатунно-поршневого механизма, ко- ленвала, масляного насоса, что приводит к снижению срока службы та- ких ТНУ.

 

Контрольные вопросы

1. Влияние органического топлива на окружающую среду.

2. Виды альтернативных источников энергии.

3. Наиболее перспективные направления в области фотоэлектри- чества.

4. Принцип действия плоского коллектора, применяемого для отопления и ГВС.

5. От чего зависит производительность коллектора?

6. Способы аккумулирования теплоты. Их преимущества и недос- татки.

7. Принцип работы теплового насоса.

8. Виды холодильных агентов применяемых в тепловых насосах.

9. Физический смысл показателя эффективности ТНУ.

10. От чего зависит эффективность работы теплового насоса?

11. Причины отставания в производстве и использовании ТНУ в России.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Граник Ю.Г., Магай А.А., Беляев В.С. Конструкции наружных ограждений и инженерные системы в новых типах энергоэффективных жилых зданий // Энергосбережение. – 2003. – № 5.

2. Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Энциклопедия энергосбережения.

– Екатеринбург: ИД «Сократ», 2002. – 352 с., ил.

3. Данилов О.Л. Энергоиспользование в теплоэнергетике и тепло- технологиях. Сборник задач: учеб. пособие / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев, Г.П. Шапалов / под ред. Ю.М. Павлова. – М.: Изд-во МЭИ, 2005. – 52 с.

4. Данилов О.Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотех- нологиях: учеб. пособие / под ред. А.Б. Гаряева. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. – 64 с.

5. Калнинь И.М. Применение тепловых насосов для нужд тепло- снабжения // Энергетическое строительство. – 1994. – № 8.

6. Лурье М.В. Задачник по трубопроводному транспорту нефти, нефтепродуктов и газа: учебное пособие для вузов. – М.: ООО «Недра– Бизнесцентр», 2003. – 349 с.

7. Полонский В.М., Трутнева М.С. Энергосбережение: учебное пособие. – М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов. 2005. – 160 с.

8. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.

– М.: Машиностроение, 1969. – 376 с.

9. Скороходов А.А., Полонский В.М. Энергосбережение в ЖКХ и экология // Вестник МАНЭБ. – 2003.

10. Энергосбережение: справочное пособие. / В.Е. Батищев,

Б.Г. Мартыненко, С.Л. Сысков, Я.М. Щелоков. / 2-е изд., испр. и доп. –

Екатеринбург: Экс-Пресс, 2000. – 340 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Диаграмма пересчета энергетических величин

т у.т. – 1 тонна условного топлива;

т н.э. – 1 тонна нефтяного эквивалента; Теплотворная способность топлива:

·

н

уголь Q р

24,98 МДж/кг;

·

н

природный газ Q р = 33,71 МДж/м³;

·

н

мазут Q р = 38,40 МДж/кг.

 

Справочная информация. Приставки:

к – кило – 10³                    м – милли – 10 ³

М – мега – 10⁶ мк – микро – 10                ⁶

Г – гига – 10⁹ н – нано – 10                  ⁹

Т – тера – 10¹² п – пико – 10                ¹²

П – пета – 10¹⁵ Ф – фемто – 10                ¹⁵

Э – экса – 10¹⁸ а – атто –10                ¹⁸

Приложение 2

Расчетный сухой остаток котловой воды для котлов типа ДКВР, ДКВ и КРШ с учетом нагрузки до 150 % номинальной

Тип сепарационного устройства	Сухой остаток, мг/кг (не более)
Механические внутрибарабанные сепарационные устройства	3 000
То же с применением внутрибарабанных циклонов	4 000
Двухступенчатое испарение и механические внут- рибарабанные сепарационные устройства	6 000
Двухступенчатое испарение с выносным циклоном	10 000

 

Приложение 3 Основные параметры для расчета тепловых потерь от химической неполноты сгорания топлива (для основных видов топлива)

Вид топлива	, P кДж/м3	ROmax 2	Q р, н кДж/кг
Мазут	4061,4	16,5	39776,5
Природный газ	4187,0	11,8	35589,5
Каменный уголь	3935,8	19,0	25122,0
Бурый уголь	3475,0	20,0	12561,0
Торф	3601,0	18,5	10719,0
Дрова	3664,0	20,5	10216,0

Приложение 4

Основные характеристики теплоаккумулирующих материалов

№ п.п	Теплоаккумули- рующие мате- риалы	T пл град	Плотность, кг/м3		Теплопро- водность, Вт/(м·°К)		Теплоемкость, кДж/(кг·°К)		Энтальпия фа- зового пере- хода, d
			Твердое со- стояние	Жидкое состояние	Твердое со- стояние	Жидкое со- стояние	Твердое со- стояние	Жидкое со- стояние	кДж/кг	МДж/м3
1	Бетон		2200		0,9-1,75		0,96
2	Магнезитовые кирпичи		2700		4,64		1,13
3	Грунт (мелкие куски)		2560		0,52		0,84
4	Галька, гранит		2640		1,7–4,0		0,88
5	Вода			1000		0,7		4,19
6	(46% NaNO3 – 54% KNO3)			1735		0,57		1,56
7	СаС12·6 Н2О	29,2	1620	1500	0,6	0,3	1,47	1,47	172,5	258,1
8	Na2SO4·10 H2O	32,4	1460	1410	0,5	0,3	1,76	3,31	251,0	345,2
9	Na2НРО4·12 Н2О	35,2	–	1420	0,5		1,55	3,18	279,0	403,2
10	Лауриновая ки- слота	44,0	–	910	0,4	0,2		–	175,3	159,6
11	Миристиновая кислота	54,1	–	870	–		1,6	2,26	187.8	162,8
12	Пальмитиновая кислота	65,0	–	880	–		1,8	2,73	184,5	162,9
13	Парафин–2	42,0	910	770	–		2,08	–	187,8	144,0
14	Октадекан	28,0	–	790	–	од	2,10	2.17	244,2	194,1
15	n–Эйкозан	36,7	860	780	–	0,2	2,01	2,21	247,0	192,0

t = °

° ° °

Приложение 5 Нормы потерь тепла изолированными трубопроводами подземной прокладки в непроходных каналах и бесканальных, ккал/ч·м

Наружный диаметр труб, мм	Обратная магист- раль ср 50 C q обр 1	Подающая магистраль, max 95С t = min      70С t = ср 65С t = q под 1	Суммарные потери при двухтрубной прокладке, q под +  q обр 1       1	Бесканальная прокладка
				Подающая магистраль, max 150С° t min 70°С t ср 90С° t q под 1	Суммарные потери, q под +  q обр 1       1
	не более
32	20	25	45	32	52
57	25	31	56	40	65
76	29	35	64	45	74
89	31	38	69	49	80
108	34	42	76	54	88
159	42	52	94	65	107
219	51	62	113	79	130
273	60	72	132	90	150
325	68	81	149	100	162

 

Приложение 6

Нормы потерь тепла изолированными трубопроводами на откры- том воздухе с его расчетной температурой н 0 10С t = - °

Наружный диаметр труб, мм	Потери тепла, ккал/ч·м (не более) при температуре теп- лоносителя, °С (среднегодичной или среднесезонной)
	50	70	100	150
32	15	24	31	46
57	21	28	40	58
76	25	33	45	66
89	28	36	50	71
108	31	41	55	77
133	35	46	60	85
159	38	48	65	94
219	46	57	78	110
273	53	67	87	125
325	60	76	100	140
377	71	89	114	156

Приложение 7

Показатели ППУ изоляции и изоляции из ячеистого

№ п.п.	Наименование по- казателей	Пенополиурета- новая изоляция	Apмопенобетон- ная изоляция	Пенополимзная изоляция
1	Освоение заво- дского производ- ства в России	Изготавливается рядом заводов. Монтируется и эксплуатируется во многих горо- дах.	Изготавливается на изоляционных заводах в Санкт- Петербурге, Псковской и Ле- нинградской об- ластях, в Карелии и др.	Изготавливается рядом заводов. Монтируется и эксплуатируется во многих городах
2	Начало при- менения в России	С 1992–1994 г. г.	С 1948 г.	С 1978 г.
3	Комплектность заводского изго- товления	Практически пол- ная, прямолиней- ные участки, отво- ды, тройники, ар- матура, сильфон- ные компенсаторы	Только прямоли- нейные участки	Полная: прямо- линейные участки, отводы, тройники, арматура, силь- фонные компенса- торы
4	Возможность из- готовления в по- левых условиях	Практически не- возможно из-за необходимости обеспечения «аб- солютной» герме- тичности изоля- ции	Возможно, путем укладки полуци- линдров, сегмен- тов и пр. элемен- тов при ремонте трубопроводов (замена из- ношенной изоля- ции, корродиро- ванных участков труб)	Возможно с применением пе- редвижной опа- лубки
5	Коэффициент теплопроводности	0, 035l = Вт/(м·°С)	l = 0, 05 Вт/(м·°С)	0,045l = Вт/ (м·°С)
6	Объемная масса	55÷80 кг/м3	200 кг/м3	200 (собственно изоляционный слой – 100 кг/м3)
7	Предел прочности при сжатии	0,4 МПа	0,5÷0,8 МПа	1,2 МПа
8	Термостойкость	120÷130 °С	400÷500 °С	150 °С
9	Огнеопасность	Горюч	Не горюч	Самозатухающий
10	Токсичность	Токсичен	Экологически чис- тый	Экологически чистый

Продолжение приложения 7

11	Коррозионные свойства мате- риала (ph исход- ной среды)	При намокании вызывает корро- зию труб (ph = 7,0)	При намокании на поверхности труб образуется пасси- вирующая пленка (ph = 10,0)	ph = 7 (нейтральная среда)
12	Обязательность непрерывного дис- танционного кон- троля увлажнения изоляции	Обязателен и при- меняется сплош- ной непрерывно действующий кон- троль	Целесообразен при бесканальной прокладке (над проезжей частью, под тротуарами на ответственных участках)	Не требуется
13	Ремонтопри- годность	Увлажненный участок подлежит полной замене	На увлажненном участке выявить причину увлажне- ния. При повреж- дении металла трубы заменить кусок поврежден- ной трубы	Ремонтопригоден
14	Необходимость защиты от меха- нических повреж- дений	Защита с помо- щью толстостен- ной полиэтилено- вой оболочки	Защита с помо- щью асбоцемент- ной паропрони- цаемой оболочки	Не требуется
15	Стойкость изоля- ции и высыхание после увлажнения	Не высыхает	Высыхает	Высыхает
16	Возможность от- каза от тепловых камер при беска- нальной подзем- ной прокладке	Уже осуществля- ется	Требует дополни- тельной проработ- ки (см. пункт 3 в таблице)	Возможен

Приложение 8

Перечень приборов для проведения измерений

№ п.п.	Измеряемый параметр	Наименование прибора
1	О2, СО2, СО, NOX, NO2, SO2, коэффи- циент избытка воздуха, КПД котла	Анализатор горения электронной КМ 9006 «Quintox»
2	СО, NO, O2, SO2, NO2, SO2	Однокомпонентный газоанализатор серии КМ 80
3	Расход жидкостей t до 200 °С, 0–12 м/с, диаметр труб 15–2000 мм	Ультразвуковой расходомер жидкости «Portaflow MK-IIR»
4	Расход жидкостей t до 100 °С, диаметр труб 50–215 мм	Ультрозвуковой расходомер жидкости «Portaflow 204»
5	Измерение толщины стенок металли- ческих труб	Ультразвуковой толщиномер «SONA- GAGE»
6	Измерение температуры поверхности	Термометр инфракрасный бескон- тактный КМ 826 и КМ 801/1000
7	Измерение температуры внутри объек- тов	Термометр цифровой КМ 44 (с набо- ром термопар)
8	Измерение давления	Манометр цифровой С 95
9	Измерение скоростей вращения	Тахометр цифровой КМ 6003
10	Измерение скоростей воздуха и темпе- ратуры	Термосенемометр КМ 4007
11	Измерение влажности и температуры	Измеритель влажности и температуры КМ 8004
12	Измерение освещенности рабочих мест	Люксметр
13	Анализ графиков электрической на- грузки и показателей качества элек- троэнергии	Трехфазный анализатор электропо- требления AR 4M
14	Накопитель информации	Накопитель информации «Squirrel 1003»
15	Измерение запыленности уходящих газов	Измеритель запыленности RM 210

Учебное издание

 

МОЛОДЕЖНИКОВА Лидия Иосифовна