База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии

Подождите немного. Документ загружается.

База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых

источников энергии

http :// www . ad . ugatu . ac . ru / knbase / conten . htm

База знаний разработана в рамках проекта "Развитие Учебно-научного центра

"Высокоэффективные технологии и системы использования низкотемпературных и

возобновляемых источников энергии", выполненного Уфимским государственным авиационным

техническим университетом и Институтом механники РАН.

Содержание

Введение

1. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

1.1. Солнечная энергия

1.2. Энергия ветра

1.3. Энергия биомассы

1.4. Источники низкопотенциальной теплоты

2. Энергетические установки низкотемпературных и возобновляемых источников энергии

2.1. Тепловые насосы

2.2. Ветроэнергетические установки

2.3. Вихревые трубки

2.3.1. Преобразование энергии ветра в тепловую. Совместная работа ветроэнергетической

установки и вихревой трубы

2.4. Энергоагрегат с низкотемпературным двигателем Стирлинга и вихревой трубой

2.5. Энергетические установки на солнечной энергии

Выводы

Литературные источники

WWW-ресурсы Internet в области технологий и систем использования энергии

низкотемпертурных и возобновляемых источников

Введение

С каждым годом все больше обостряются вопросы, связанные с

дальнейшими путями развития энергетики. С одной стороны, рост

населения, стремление к повышению жизненного уровня людей диктуют

целесообразность наращивания мощностей энергетики, и в первую очередь

электроэнергетики, причем просто гигантскими темпами; с другой стороны,

возникающие экологические проблемы, истощение природных источников

сырья, и, в первую очередь, нефти и газа, требуют более экономичного и

рационального использования полученной энергии и потенциальной энергии ее источников.

Согласно последним данным МИРЭС, опубликованным в отчете "Энергия для завтрашнего

мира", доказанные извлекаемые запасы органического топлива в мире составляют 1220

млрд.т.у.т., тогда как извлекаемые ресурсы, оцененные весьма условно - в 4,5 раза больше. С

учетом нетрадиционных ресурсов (тяжелой нефти, природного битума и нефтяных сланцев) это

превышение над указанными запасами будет составлять около 5,2 раза. С учетом достигнутых к

настоящему времени уровней добычи органического топлива можно сделать следующие

выводы:

· доказанные запасы органического топлива достаточны для удовлетворения ожидаемого роста

мирового спроса на них в течение многих десятилетий, при этом за последние годы размеры

доказанных запасов не только не сократились, но и существенного увеличились;

· мировые геологические ресурсы всех видов органического топлива являются достаточными

также для компенсации убывания их доказанных запасов;

· за пределами середины следующего столетия, однако, может оказаться, что только ресурсы

углей будут достаточны для компенсации убывания разведанных запасов, тогда как ресурсы

нефти и газа сократятся настолько, что придется ограничить их добычу.

" Известные " ресурсы урана в мире в настоящее время оцениваются в 2,4 млн. т, а годовая

потребность в нем для 420 действующих в мире ядерных энергетических реакторов оценивается

в 58 тыс.т. Таким образом, указанные выше " известные " ресурсы урана достаточны для работы

ныне действующих АЭС в течение 41 года. С учетом трудно добываемого урана, обеспеченность

запасами ядерного горючего возрастает до 64 лет. Хотя, конечно, использование плутония или

реакторов-размножителей на быстрых нейтронах увеличит этот срок.

Тем не менее, хотя исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии в

ближайшее время человечеству не грозит, в последнее время интерес к нетрадиционным

возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Говоря о перспективной и стабильной

энергетике, следует признать, что она может и должна во многом опираться на НВИЭ. Тем

более что кроме постоянно беспокоящего факта о невозобновляемости традиционных

энергоисточников, энергетика, основанная на их использовании, т.е. на сжигании органического

топлива, наносит значительный ущерб окружающей среде, и в долгосрочной перспективе может

привести к нежелательным глобальным изменениям климата. Атомная же энергетика встречает

активное неприятие населения в связи с возможностью тяжелых аварий с радиационным

загрязнением больших территорий.

Период времени порядка 50-60 лет дается человеку для дальнейшего повышения

эффективности традиционных способов производства энергии и для внедрения НВИЭ,

обладающих большими потенциальными возможностями, и за счет которых пока еще

удовлетворяется весьма незначительная часть мировых энергетических потребностей. В начале

нынешнего десятилетия годовое производство энергии в мире на базе НВИЭ оценивалось в 240

млн.т.у. т., что соответствует примерно 2% общих мировых потребностей в первичных

энергетических ресурсах за год в настоящее время. А по прогнозам МИРЭС, за счет НВИЭ в

2000 году может быть произведено при различных вариантах развития мирового

энергохозяйства, и в зависимости от степени поддержки на государственном уровне работ по

освоению этих источников энергии от 4,0 до 4,5 млрд.т.у. Т. или 18-27% всей мировой

потребности.

Все это привело к тому, что в промышленно развитых странах энергопотребление в последние

время либо уменьшилось, либо его рост существенно замедлился. В связи с этим планирование

строительства новых крупных электростанций связано с большой неопределенностью, а

следовательно, с риском. Энергокомпании предпочитают наращивать мощности путём

строительства сравнительно небольших энергетических блоков, а это характерно для НВИЭ; и

при помощи повышения КПД действующих энергоблоков.

Во многих промышленно развитых странах, где резервы собственного органического топлива

сильно исчерпаны или не имелись изначально, и энергетика которых базируется, в настоящий

момент, на импортных поставках, вопросы использования НВИЭ становятся всё более

актуальными, активно ведутся работы по их применению в энергетике.

Для развивающихся стран, и стран, переживающих сегодня экономический кризис, характерен

дефицит больших капиталовложений, исключающий возможность сооружения крупных

традиционных электростанций. В то же время установки с НВИЭ, как правило, имеют модульный

характер и позволяют вводить в строй сравнительно малые мощности, наращивая их по мере

необходимости.

В России имеются отдалённые регионы, которые не присоединены к системам центрального

электроснабжения и где по некоторым оценкам проживает около 20 млн. чел. Для них электро -

и теплоснабжение на базе НВИЭ явилось бы решением огромной социальной проблемы.

В общем же анализ показывает, что к 2020 г. общие потребности мира в первичных

энергоресурсах существенно возрастут, причём до 85% этого прироста произойдёт в результате

увеличения энергетических потребностей в большой группе стран, относящихся в настоящее

время к категории развивающихся. А учитывая прирост мирового населения в два раза в

ближайшие десятилетия и более чем в три раза городского населения, нельзя продолжать

использовать энергию, таким образом, как это привыкли делать.

Спрос на услуги, которые предоставляет энергетика, - отопление, охлаждение, освещение,

бытовые приборы, промышленность, транспорт - существенно возрастет. Энергия

удовлетворяет основные потребности и предоставляет основные услуги, она является

существенным компонентом социального развития и экономического роста. Проблема

заключается в обеспечении требуемых энергетических услуг для растущего населения мира без

последствий для окружающей среды, которые в конечном счете, могут стать непреодолимыми.

Решение этой проблемы требует существенных перемен в мировом энергетическом балансе. Но

энергетические системы не могут быть изменены быстро, поэтому ближайшие 30 лет будут

критически важной переходной фазой при реализации долгосрочных целей. Следовательно,

необходимо инициировать перемены сейчас, если страна стремится достичь успешного

длительного развития.

Настоящий отчет не может претендовать на глубокое осмысливание места нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии и тем более современного состояния энергетических

установок, использующих нетрадиционные низкотемпературные источники энергии, имеющие

широкое применение в мировой энергетике.

Цель всей работы по проекту ““Высокоэффективные технологии и системы

использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии” - показать большие

перспективы использования низкопотенциальных энергоресурсов в России и показать слабое

развитие индустрии производства и эксплуатации энергетических систем, использующие эти

ресурсы. Вдохнуть в них жизнь, просмотреть перспективы современных методов проектирования

таких энергетических систем, выдвинуть предложения с конкретными проектами.

В первом разделе дан анализ нетрадиционных источников энергии и сведения о некоторых

энергоустановках, использующих эти источники энергии. Особое внимание при этом уделено

теплонасосам как перспективным энергетическим установкам, могущим обеспечить

эффективность энергетики России.

1.1. Солнечная энергия

В конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира [57]

было построено семь пилотных солнечных электростанций

(СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от

0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar

Оne) была построена в Калифорнии. Все эти СЭС построены по

одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-

гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи

на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно

высокой башни; ресивер представляет собой по существу

солнечный котёл, в котором производится водяной пар средних

параметров, направляемый затем в стандартную паровую турбину.

К настоящему времени ни одна из этих СЭС более не эксплуатируется, поскольку намеченные

для них исследовательские программы выполнены, а эксплуатация их как коммерческих

электростанций оказалась невыгодной. В 1992 г. Эдисоновская компания Южной Калифорнии,

основала консорциум из энергетических и промышленных компаний, которые вместе с

Министерством энергетики США финансируют проект по созданию башенной СЭС Solar Two

путем реконструкции Solar One. Мощность Solar Two по проекту должна составить 10 МВт, т.е.

остаться той же, что и ранее. Основная идея намеченной реконструкции состоит в том, чтобы

заменить существующий ресивер с прямым получением водяного пара на ресивер с

промежуточным теплоносителем (нитратные соли). В схему СЭС будет включен нитратный бак-

аккумулятор вместо примененного в Solar One гравийного аккумулятора с высокотемпературным

маслом в качестве теплоносителя. Пуск реконструированной СЭС намечался на 1996 г.

Разработчики рассматривают её как прототип, который позволит на следующем этапе создать

СЭС мощностью 100 МВт. Предполагается, что при таком масштабе СЭС этого типа окажется

конкурентоспособной с ТЭС на органическом топливе.

Второй проект-башенная СЭС PHOEBUS реализуется немецким консорциумом. Проект

предполагает создание демонстрационной гибридной (солнечно-топливной) СЭС мощностью 30

МВт с объёмным ресивером, в котором будет подогреваться атмосферный воздух,

направляемый затем в паровой котел, где производится водяной пар, работающий в цикле

Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предусматривается горелка для сжигания

природного газа, количество которого регулируется так, чтобы в течение всего светового дня

поддерживать заданную мощность. Расчеты показывают, что, например, для годового прихода

солнечного излучения 6,5 ГДж/м2 (близко к тому, что характерно для некоторых южных районов

России) эта СЭС, имеющая суммарную поверхность гелиостатов 160 тыс. м2 будет получать

290,2 ГВт. ч/год солнечной энергии, а количество энергии, внесенной с топливом, составит 176,0

ГВт. ч/год. При этом СЭС выработает в год 87.9 ГВт.ч электроэнергии со среднегодовым КПД

18,8 %. При таких показателях стоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, ожидается на

уровне ТЭС на органическом топливе.

Начиная с середины 80-х годов, в Южной Калифорнии компанией LUZ, были созданы и пущены

в коммерческую эксплуатацию девять СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (ПЦК)

с единичными мощностями, которые наращивались от первой СЭС к последующим от 13,8 до 80

МВт. Суммарная мощность этих СЭС достигла 350 Мвт. В этих СЭС использованы ПЦК с

апертурой, которая увеличивалась при переходе от первой СЭС к последующим. Следя за

солнцем по одной оси, концентраторы фокусируют солнечную радиацию на трубчатых

приемниках, заключенных в вакуумированные трубы. Внутри приемника протекает

высокотемпературный жидкий теплоноситель, который нагревается до 380°С и затем отдает

тепло водяному пару в парогенераторе. В схеме этих СЭС предусмотрено также сжигание в

парогенераторе некоторого количества природного газа для производства дополнительной

пиковой электроэнергии, а также для компенсации уменьшенной инсоляции.

Указанные СЭС были созданы и эксплуатировались в то время, когда в США существовали

покровительственные законы, позволявшие СЭС безубыточно функционировать. Окончание

срока действия этих законов в конце 80-х годов привело к тому, что компания LUZ

обанкротилась, а строительство новых СЭС этого типа было прекращено.

Компания KJC (Kramcr Junction Company), которая эксплуатировала пять из построенных СЭС (с

3 по 7), поставила перед собой задачу повысить эффективность этих СЭС, сократить расходы на

их эксплуатацию и сделать их экономически привлекательными в новых условиях. В настоящее

время эта программа успешно реализуется.

В развивающихся странах речь идет о применении сравнительно мелких установок для

электроснабжения индивидуальных домов в отдаленных деревнях для оснащения культурных

центров, где благодаря ФЭУ можно пользоваться телевизорами и др. В этих приложениях на

первый план выступает не стоимость электроэнергии, а социальный эффект. Программы

внедрения ФЭУ в развивающихся странах активно поддерживаются международными

организациями, в их финансировании принимает участие Мировой банк на основе, выдвинутой

им "Солнечной Инициативы". Так, например, в Кении за последние 5 лет с помощью ФЭУ было

электрифицировано 20 000 сельских домов. Большая программа по внедрению ФЭУ

реализуется в Индии, где в 1986 - 1992 гг. на установку ФЭУ в сельской местности было

затрачено 690 млн. рупий.

В промышленно развитых странах активное внедрение ФЭУ объясняется несколькими

факторами. Во-первых, ФЭУ рассматриваются как экологически чистые источники, способные

уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Во-вторых, применение ФЭУ в частных

домах повышает энергетическую автономию и защищает владельца при возможных перебоях в

централизованном электроснабжении [57, 64,86].

1.2. Энергия ветра

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня

коммерческой зрелости и в местах с благоприятными

скоростями ветра могут конкурировать с традиционными

источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств,

преобразующих энергию ветра в механическую работу, в

подавляющем большинстве случаев используются лопастные

машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по

направлению ветра. Намного реже применяются устройства с

вертикальным валом.

Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу

времени через площадь в 1 м2 (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости

ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые

скорости ветра достаточно велики.

Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае

теоретически преобразовать в мощность на его валу 16/27=0,59 (критерий Бетца) мощности

потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот

коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В

действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это

означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с

может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили

ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт. Удельная

стоимость ВЭУ мощностью 500 кВт составляет сегодня около 1200 долл/кВт и имеет тенденцию

к снижению.

Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США

была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2

МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной

мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была

сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов.

Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4

МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс.ч.

В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом

(ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за

1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса.

Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще,

как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он

рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ

вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном

месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается

номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ

и даже ветровой фермы.

Автономные установки киловаттного класса, предназначенные для энергоснабжения

сравнительно мелких потребителей, могут применяться и в районах с меньшими

среднегодовыми скоростями ветра.

Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает

заметных значений. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят

около 3 °/о потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции,

Нидерландах, Великобритании и Германии.

По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость

ВЭУ, а значит и стоимость производимой ими энергии снижаются. Если в 1981 г. стоимость

электроэнергии производимой ВЭУ, составляла примерно 30 американских центов за кВт.ч, то

сегодня она составляет 6-8 центов. С учетом того, что только в 1995 г. в США велись работы по

четырем большим ветровым фермам с общей мощностью около 200 МВт, станет ясно, что

планируемое Департаментом Энергетики США снижение стоимости ветровой электроэнергии до

2,5 центов/ (кВт. ч) вполне реально [57, 90,94].

В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой

мощности, которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного

электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими

на привозимом топливе. Однако в некоторых случаях непостоянство скорости ветра заставляет

либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее

установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее

эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико.

1.3. Энергия биомассы

Биомасса представляет собой древнейший источник энергии, однако её использование до

недавнего времени сводилось к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и

топках, но также с весьма низким КПД. В последнее время внимание к эффективному

энергетическому использованию биомассы существенно повысилось, причем в пользу этого

появились и новые аргументы:

· использование растительной биомассы при условии её непрерывного восстановления

(например, новые лесные посадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации

СО2 в атмосфере;

· в промышленно развитых странах в последние годы появились излишки обрабатываемой

земли, которую целесообразно использовать под энергетические плантации;

· энергетическое использование отходов (сельскохозяйственных, промышленных и бытовых)

решает также экологические проблемы;

· вновь созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более

эффективно.

Потенциал биомассы, пригодный для энергетического использования в большинстве стран

достаточно велик, и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.

В США в 1990 г. благодаря использованию биомассы было произведено 31 млрд. кВт.ч

электроэнергии, кроме того, за счет твердых бытовых отходов (ТБО) еще 10 млрд. кВт.ч. На

2010 г. планируется выработать соответственно 59 и 54 млрд. кВт.ч. Оценка технического

потенциала различных видов биомассы, выполненная в Германии, дает: остатки лесной и

деревоперерабатывающей промышленности - 142 млн. ГДж/год; солома - 104 млн. ГДж/год;

биогаз - 81 млн. ГДж/год.

Эти оценки сделаны при весьма осторожных предположениях. В частности, предполагается, что

доля отходов лесной промышленности составляет 25% годового прироста древесины.

Аналогично для соломы учитывается ее количество, которое должно остаться на поле для

поддержания содержания гумуса в почве. Для биогаза учитываются только хозяйства, имеющие

не менее 20 голов крупного рогатого скота или эквивалентного количества свиней или птицы.

Серьезной проблемой является энергетическое использование ТБО. Мусоросжигающие

установки (инсинераторы), имеющиеся во многих странах мира, малоэффективны и не

удовлетворительны с точки зрения экологии. Поэтому разработка новых схем использования

ТБО представляется весьма актуальной (см. разд. 3).

Особенно остра проблема эффективного использования биомассы для развивающихся стран,

прежде всего для тех, у которых биомасса является единственным доступным источником

энергии. Здесь в основном речь идет о рациональном использовании древесины и различных

сельскохозяйственных и бытовых отходов. Известно, что сегодня население некоторых стран,

прежде всего Африки, вырубает леса на дрова для приготовления пищи, и что этот процесс

обезлесевания представляет собой угрозу как местному, так и глобальному климату.

Используемые сегодня дровяные очаги для приготовления пищи имеют КПД 14-15%. Применяя

более совершенные устройства, этот КПД легко повысить до 35- 50 %, т.е. сократить

потребность в исходном топливе более чем в 3 раза.

Хорошо известна программа Бразилии, посвященная получению из отходов сахарного тростника

метанола, применяемого как моторное топливо для автотранспорта. Однако этот пример

интересен только для стран с соответствующим климатом.

Большое распространение в некоторых странах (Китай, Индия и др.) получили малые установки,

утилизирующие отходы для одной семьи. В этих установках, число которых исчисляет

миллионами, в результате анаэробного сбраживаних производится биогаз, используемый для

бытовых нужд. Эти установки весьма просты, но не очень совершенны. Для больших ферм со

значительным количеством отходов создаются более эффективные биогазовые установки

[57,94].

1.4. Источники низкопотенциальной теплоты



Вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР)

называются тепловые отходы технологических

производств промышленных предприятий,

коммунальных, бытовых, жилых и других объектов. К

категории ВЭР можно также отнести самоизливающиеся

геотермальные воды; горячие минеральные источники,

теплота которых не используется в бальнеологии;

сжигаемый попутный газ при нефтедобыче; добываемая

горячая нефть и др.

Вопросы экономии топлива путем использования ВЭР в последние годы превратились в

актуальную проблему, и являются общегосударственной задачей. Промышленные потребители

используют в настоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70 % всей

вырабатываемой электроэнергии. Коэффициент полезного использования энергии в

технологических процессах остается все еще невысоким и составляет лишь 35-40 %. В период

до 1991 года ситуация с утилизация ВЭР в промышленности улучшалась, однако достигнутая

фактическая экономия топлива за счет теплоты ВЭР по отношению к возможной составляет 30-

32 %, в том числе в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности -40%, в

черной металлургии -40%, в химической -25 % .

Одним из эффективных направлений утилизации теплоты ВЭР являлось производство холода

для предприятий, технологические процессы которых требовали его при различных

температурах охлаждения. Следует отметить, что большинство предприятий химической,

нефтехимической и других отраслей промышленности являются хладоемкими производствами и

одновременно характеризуются наличием достаточно большого количества неиспользуемых

ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т.п.

Но решая вопрос о рациональном и эффективном использовании ВЭР нельзя забывать о том,

что наряду с получением холода могут быть осуществлены также процессы трансформации

теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий и наоборот.

Общедоступным источником низкопотенциальной теплоты является атмосферный воздух,

который широко используют для малых теплонасосных установок - ТНУ (квартирных, домовых).

Однако низкие значения температуры воздуха, малая его теплоемкость и коэффициент

теплоотдачи не позволяют достичь приемлемых показателей энергетической эффективности

крупных установок, в частности ТН-станций, к испарителям которых требуется подводить

большие тепловые потоки.

Крупные незамерзающие водоемы представляют ценность в качестве источников теплоты для

ТНУ. К ним, например, относятся Черное море, Каспийское море в средней и южной частях,

озеро Иссык-Куль. На Черноморском побережье Кавказа и Крыма действуют ТНУ на морской

воде, температура которой зимой в этих районах не опускается ниже 8°С. Особенно эффективно

круглогодичное использование теплоты морской воды (с температурой летом 20-25 °С) для ТНУ

горячего водоснабжения, составляющего значительные нагрузки в южных городах и курортах. В

переходный и зимний периоды года в ТНУ могут быть использованы холодная вода из

водоёмов, наружный воздух с температурой свыше 0°С, а так же горные породы (грунт).

Источником низкопотенциальной теплоты могут служить слабоминерализованные

геотермальные воды, солнечная энергия, запасаемая с помощью гелиоустановок и

аккумуляторов теплоты.

Однако основными источниками теплоты для крупных ТНУ следует считать искусственные

источники - тепловые отходы. Быстрый рост потребления энергоресурсов влечет за собой как

истощение природных богатств, так и тепловые загрязнения биосферы. Например, тепловые

электростанции, в том числе и АЭС, сбрасывают с охлаждающей водой 50-55 % энергии

топлива. Иногда решающим фактором в выборе площадки для строительства ТЭС (АЭС)

оказывается наличие естественных водоёмов, способных без особого ущерба воспринять

бросовую теплоту. Промышленные предприятия потребляют огромное количество воды для

охлаждения машин и рабочих тел в различных технологических процессах. Объем оборотной и

повторно используемой в промышленности воды в 1966 г. в нашей стране составлял км3/год, а в

1980 г.-132 км3/год, или 61% используемой всей промышленностью воды. Эти “тепловые реки”

имеют круглый год температуру 20-40 °С, практически не позволяющую использовать теплоту

непосредственно, и охлаждаются в градирнях или других испарительных охладителях, отдавая в

атмосферу вместе с теплотой часть воды.

При замене градирен испарителями ТНУ степень охлаждения воды (перепада температуры) при

сохранении ее расхода должна оставаться в среднем около 10 °С.

Концентрацию тепловых потоков в системах оборотного водоснабжения можно оценить на

примере одного из крупнейших автомобильных заводов. Общий объём оборотной воды

составляет около 75 тыс. м3/ч, организован в водоблоках по (10-12) тыс. м3/ч. Вода поступает на

охлаждение с температурой 30-40°С круглогодично и охлаждается до 15-20°С. В целом по

заводу в атмосферу сбрасывается 1300МВт теплоты.

Нефтеперерабатывающие и химические заводы также являются мощными источниками

вторичных энергетических pecyрсов (ВЭР). По виду ВЭР разделяются на три основные группы:

1) горячие (топливные) отходящие газы печей; отходы, непригодные для дальнейшей

технологической переработки; 2) тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов

технологических агрегатов; физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции

и отходов основного производства; теплота горячей воды и пара, отработанных в

технологических силовых установках; 3) ВЭР избыточного давления, потенциальная энергия

газов и жидкостей, которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования

жидкостей (газов) или выброса их в атмосферу.

Источники теплоты ВЭР можно использовать в аммиачных преобразователях теплоты (АПТ) и в

теплонасосных установках. В теплонасосных установках можно использовать

низкотемпературную теплоту (20-60°С), для АПТ - низко - и среднепотенциальное на уровне 80-

160°С, а также высокопотенциальное тепло (160-400°С). Особенно актуальной задачей является

утилизация теплоты, содержащейся в технологической воде.

Если ориентировочно принять, что в общем (по стране) объёме оборотного водоснабжения

охлаждению подвергается только75% воды, т.е. примерно 120 км3 в год (по уровню 1985г.), и

температурный перепад составляет 10°С, то организованный сброс низкопотенциальной

теплоты промышленностью составляет более 5 млрд. ГДж в год. Вода, однократно

потребляемая, промышленными предприятиями (около 40% всего объёма) в конечном счете,

канализируется в естественные водоемы. При современных требованиях к защите окружающей

среды и промышленные, и коммунально-бытовые стоки перед сбросом в водоёмы должны

проходить сложную систему очистки на водоочистных сооружениях или на станциях аэрации (в

крупных городах). В Москве, например, несколько станций аэрации сбрасывают в Москву-реку

более 5 млн м3 /сут. очищенной воды температурой 16-22°; вместе с водой поступает и

тепловой поток в 3-4 млн. кВт. Станции аэрации действуют в Санкт-Петербурге, Самаре и других

городах. Многие миллионы кубических метров воды сбрасываются в реки, заливы водоемы

вместе с теплотой, которую можно использовать в ТНУ и преобразовать низкопотенциальную

теплоту в теплоту более высокой температуры, способную удовлетворить определённую часть

потребностей и сократить расход топлива.

2.1. Энергетические установки на базе тепловых насосов

Введение

Основные обозначения и сокращения

Общие сведения о термодинамике тепловых насосов

Исследование рабочих циклов тепловых насосв

Энергетические использующие установки,

низкотемпературные источники эненргии

Экономические и экологические аспекты использования

энергетических установок на базе тепловых насосв

База данных по энергетическим установкам на базе тепловых

насосов



Введение

Теплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и

достаточно суровыми зимами требует весьма больших затрат

топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на

электроснабжение. Основными недостатками традиционных

источников теплоснабжения являются низкая энергетическая

(особенно на малых котельных), экономическая и

экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение

является одним из основных источников загрязнения крупных

городов). Кроме того, высокие транспортные тарифы на

доставку энергоносителей усугубляют негативные факторы,

присущие традиционному теплоснабжению.

Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий

эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения,

который в системах отопления составляет 6-10%.

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым

ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность

для трубопроводов диаметром 1400 мм составляет одну аварию в год на l км длины, а для труб

меньшего диаметра - около шести аварий. Если учесть, что общая протяженность тепловых

сетей в России доставляет 650 тыс. км, а в полной замене нуждаются 300 тыс. км, становится

очевидно, что строительство и поддержание тепловых сетей в рабочем состоянии требуют

затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных.

Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют

интенсивного использования нетрадиционных методов.

Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-

30° C) природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью

тепловых насосов.

Тепловые насосы в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков

централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом, если в 1980 г. в

США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн., в Западной Европе

0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в

развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. Массовое

производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу

Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего

водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 % [185].

Основные обозначения, индексы и сокращения

Обозначения величин

с - теплоемкость, кДж/(кг? К);

d - влагосодержание водяных паров воздуха, кг/кг;

G - массовый расход, кг/с;

H - теплоперепад, Дж/кг, кДж/кг;

h - энтальпия, Дж/кг, кДж/кг;

р - давление, Па, кПа;

n - частота вращения, 1/c;

N - мощность, Вт, кВт, Мвт;

q - удельный расход теплоты, Дж/Дж, кДж/кДж;

Q - количество теплоты, Вт, кВт, Мвт;

s - энтропия, Дж/(кг? К), Дж/(кг? К);

t - температура, ° С;

T - температура, К;

v - удельный объем, м

/кг;

х - степень сухости пара;

h - КПД;

м - механический КПД;

p - степень повышения ( понижения) давления;

s - коэффициент сохранения давления.

Индексы

в - воздух;

вд - вода;

вл - влажный;

вн - внутренний;

к - конечный;

конд - конденсация;

п - пар;

см - смесь;

ср - средний;

сух - сухой;

р - расчетный;

s - насыщение;

i - внутренний;

- начальный; расчетный; номинальный;

ж - жидкость.



Сокращения

