Луканин П.В., Саунин В.И. Тепловые насосы

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 621.577

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ – СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

П .В. Луканин, В.И . Саунин

Санкт- Петербургский государственный технологический

университет растительных полимеров

В докладе приводятся нормативные документы, определяющие энергетическую

стратегию России. При этом наряду с повышением эффективности использования

традиционных энергоресурсов ставится задача максимального использования воз-

можностей нетрадиционной энергетики . Одним из эффективных способов использо -

вания низкопотенциальной тепловой энергии является применение теплонасосных ус-

тановок (ТНУ). Приводятся данные по применению ТНУ за рубежом и в России. Зна -

чительное внимание уделяется вопросам утилизации низкопотенциальной теплоты на

предприятиях целлюлозно–бумажной промышленности. Высокие значения коэффици-

ента преобразования и небольшой срок окупаемости подтверждают энергетическую

эффективность предлагаемых решений.

Ключевые слова

Тепловой насос, низкопотенциальная теплота, утилизация.

Введение

Главными целями ''Основных положений энергетической стратегии России'', ут-

вержденных правительством РФ, является определение путей и условий наиболее эф -

фективного использования энергетических ресурсов, формирование роли энергии как

основного фактора, определяющего повышение качества жизни населения.

Основой реализации энергетической стратегии на ближайшую перспективу оста-

ется деятельность, направленная на повышение эффективности использования тради -

ционных энергоресурсов – газа, угля, нефти , гидроэнергии, ядерного топлива. Вместе с

тем, поставлена задача максимального использования возможностей нетрадиционной

энергетики , что в перспективе должно позволить полностью решить современные энер-

гетические, экологические и социально – экономические проблемы многих регионов

России.

В этом документе предусмотрена разработка системы нормативно – законодательных

актов, обеспечивающих реализацию перехода страны к активной энергосберегающей

политике и практике.

Первым , непосредственно направленным на решение этих проблем, является За-

кон РФ ''Об энергосбережении'' (1996 год).

Действующие Федеральные законы, являясь в принципе прогрессивными имеют

ряд существенных недостатков и тре6уют принятия дополнительных подзаконных ак -

тов, предусматривающих механизмы их реализации.

Для оценки актуальности рассматриваемых вопросов необходимо провести ряд

данных [ 1 ]. Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти , газа, торфа со-

ставляют около 20 млрд. тонн условного топлива (т у.т.). Потенциальные возможности

новых и возобновляемых источников энергии составляют в год: энергии Солнца - 2300

млрд. т у .т.; энергии ветра - 27 млрд. т у .т.; энергии биомассы - 10 млрд. т у .т.; теплоты

Земли - 40000 млрд. т у .т.; энергии рек – 360 млрд. т у .т.; энергии морей и океанов - 30

млрд. т у .т., энергии вторичных низкопотенциальных источников теплоты - 530 млн . т

у .т. Эти источники намного превосходят современный уровень энергопотребления Рос-

сии, не превышающий 1.5 млрд. т у .т. в год, что создает перспективы полного решения

энергетической проблемы в будущем при одновременном решении проблемы экологии.

1.Состояние и перспективы применения тепловых насосов

Потенциал энергосбережения в России огромен и оценивается специалистами ве-

личиной около 1.5 млрд. Гкал в год. Он может быть осуществлен с затратами в не-

сколько раз меньшими по сравнению с вложениями на получение эквивалентного объ-

ема энергии традиционными способами . Значительная часть этого потенциала прихо -

дится на низкотемпературные природные и тепловые вторичные энергетические ресур-

сы (ВЭР).

Низкотемпературные энергетические ресурсы имеют , как правило, низкий потен -

циал энергии, их нельзя транспортировать на значительные расстояния, они как бы ''п-

ривязаны'' к технологическому процессу , и этим предопределяется сложность их ис-

пользования. При оценке энергоэкономической эффективности использования тепло-

вых ресурсов кроме уровня энергетического потенциала необходимо учитывать еще

два условия: непрерывность поступления энергетических ресурсов и их количествен -

ную концентрированность.

Одним из эффективных способов использования низкопотенциальной тепловой

энергии является применение теплонасосных установок (ТНУ ). В настоящее время

ТНУ широко применяется за рубежом, от индивидуальных установок небольшой теп-

ловой мощностью, до промышленных, мощностью нескольких десятков мегаватт.

Количество работающих ТНУ в ряде зарубежных стран приведено на рис.1.

1984198619881990199219941996199820002002

год

млн. ш тук

США

ФРГ

Япония

Швейцария

Рис.1. Количество работающих ТНУ .

В 1997 – 2001 годах в развитых странах широко использовались в качестве источ-

ников низкопотенциальной теплоты (ИНТ): грунт, грунтовые воды (Швейцария, США,

Австрия, Германия), солнечная энергия (Германия), воздух (Германия, Норвегия), вода

рек, озер, морей , очищенные бытовые стоки (Германия, Япония, Швеция) [2 - 4].

Для утилизации низкопотенциальной теплоты эксплуатировались в большинстве

случаев ТНУ небольшой мощности от 3 до 30кВт , которые устанавливались:

- в системах децентрализованного теплоснабжения для отопления и горячего во-

доснабжения индивидуальных помещений;

- для круглогодичного кондиционирования воздуха.

Более мощные тепловые насосы 30-1000 кВт применялись для теплоснабжения

зданий, сооружений общественного назначения (школы, больницы, гостиницы и т .д .).

Производство ТНУ в каждой стране, прежде всего, ориентировано на удовлетво-

рение потребностей внутреннего рынка.

В США и Японии наибольшее применение получили ТНУ класса ''воздух-воздух''

для отопления и летнего кондиционирования воздуха [5]. В Европе – ТНУ класса ''вода-

вода'' и ''вода-воздух''.

К 2000 году в США исследованиями и производством ТНУ занимались более пя-

тидесяти фирм. В Японии ежегодный выпуск ТНУ достиг к настоящему времени 500

тысяч единиц.

В Германии ежегодно вводится более пяти тысяч ТНУ . К 1998 году было изготов-

лено более пятисот ТНУ большой мощности с приводом от дизельных и газовых двига-

телей для систем отопления и горячего водоснабжения.

В Швеции и странах Скандинавии эксплуатируются крупные ТНУ . В Швеции в

2000 году работало более 110 тысяч теплонасосных станций (ТНС), из которых сто

имели мощность около 100 МВт и выше. Наиболее мощная ТНС, 320 МВт , работает в .

Стокгольме.

В 1998 году Международное энергетическое агентство (IEA) разработало про-

грамму ''тепловые насосы''. Программа включает исследования, разработку , демонстра-

ционные проекты и содействие распространению технологии тепловых насосов.

В настоящее время исследования сосредоточены на свойствах и использовании

экологически приемлемых рабочих тел. Обмен информацией в этой области является

стратегическим приоритетом программы [ 6 ].

В России эксплуатируется всего несколько десятков ТНУ . Это в определенной

мере объясняется как объективными факторами – развитием энергетически по пути

централизованного теплоснабжения и теплофикации, так и субъективными – недоста-

точным вниманием к экономии топливно-энергетических ресурсов и низким внедрени-

ем в производство передовых энергосберегающих технологий и оборудования.

В действующих ТНУ применены парокомпрессионные установки с электроприво-

дом.

С 1990 года специализированные фирмы в Москве, Новосибирске, Казани, Ниж-

нем Новгороде дополнительно ввели в эксплуатацию ТНУ общей мощностью около 50

МВт. Это ТНУ , установленные на ТЭЦ ''Мосэнерго'' (изготовитель АООТ МЗХМ ''К -

омпрессор'', ОАО ''Казанькомпрессормаш '') для утилизации теплоты охлаждающей во-

ды; тепловые насосы, использующие теплоту рек ( ЗАО ''Энергия'', г. Новосибирск) и

др. [ 7,8 ].

До 2010 года планируется внедрить ряд разработанных проектов по применению

ТНУ . К ним следует отнести : проект тепло -, холодо- и энергосбережения Московского

микрорайона ''Ухтомский'', разработанный НПО ''ЭКИП'' и АООТ ''Вниихолодмаш -

Холдинг'', г. Москва; проект ТНС для теплоснабжения г. Дивногорска Красноярского

края, разработанный ЗАО ''Энергия'', г. Новосибирск и некоторые другие.

Приведенные данные свидетельствуют о повышении интереса к применению ТНУ

с целью энергосбережения как за рубежом, так и в России. Для этого в настоящее время

имеются все необходимые условия.

2.Применение ТНУ на предприятиях ЦБП

Одной из наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства является целлю-

лозно – бумажная промышленность (ЦБП). Энергетическая составляющая в себестои -

мости продукции этой отрасли достигает 20-25%. Увеличение этой составляющей обу -

словливается ростом стоимости топлива. В то же время на предприятиях ЦБП имеется

большое количество ВЭР, к которым относятся теплота сбросной воды технологиче -

ских цехов, паровоздушная смесь (ПВС ), отходящая от колпаков бумаго- и картоноде-

лательных машин (БКДМ ) и др. Более полное использование ВЭР может снизить себе-

стоимость вырабатываемой продукции, что возможно путем применения ТНУ .

На кафедре теплосиловых установок и тепловых двигателей СПбГТУРП на про-

тяжении нескольких десятилетий проводились работы, связанные с применением ТНУ

для утилизации низкопотенциальной теплоты. Так , в 1990 г., при участии кафедры, бы-

ла введена в эксплуатацию ТНС на ОАО “Светогорск”. В качестве источника низкопо-

тенциальной тепловой энергии использовалась сбросная вода технологических цехов с

температурой 35–40

С . Единичная тепловая мощность двух ТНУ типа ТХМТ–4000 со-

ставила 10 МВт , коэффициент преобразования находился в пределах 3,5–4,0[9].

Нами разработаны схемы использования парокомпрессионных ТНУ с озонобезо-

пасными рабочими агентами в вентиляционных системах БКДМ . Энергетическая эф -

фективность предлагаемых схем подтверждается высоким коэффициентом преобразо-

вания, т.е. высокой степенью использования низкопотенциальной теплоты на единицу

затрачиваемой энергии в ТНУ .

В вентиляционных системах существующих БКДМ применяются различные

схемы утилизации теплоты ПВС , удаляемой из сушильной части .

Разнообразные типы теплорекуперационных агрегатов, традиционно используе-

мых в этих схемах, имеют сравнительно невысокую эффективность. Степень утилиза-

ции теплоты ПВС работающих БКДМ не превышает 25-30%, что объясняется ее низ-

ким температурным потенциалом.

На рис. 2 представлена предлагаемая авторами функциональная схема ТНС [10].

Расчет приведенной схемы выполнялся применительно к БДМ Б–15. ПВС , отходящая

от колпаков БКДМ , проходит через скрубберы первой и второй ступеней 2 и 3, после

чего с температурой , близкой к температуре окружающей среды удаляется в атмосфе-

ру . В первом скруббере ПВС охлаждается от температуры C

≈

80 до температуры

≈

42 , значение которой на несколько градусов ниже температуры точки росы. Во

второй ступени температурный потенциал ПВС снижается до C

25 .

В замкнутый по воде контур второго скруббера включен испаритель 4 ТНУ -1.

Вода в испарителе охлаждается от 35 до 20-25°С и возвращается в скруббер. В качестве

ТНУ -1 может быть использована серийно выпускаемая машина ТХМТ-4000, изготав -

ливаемая ОАО ”Казанькомпрессормаш”. В переохладителе 8 и конденсаторе 7 этой

ТНУ нагревается химически очищенная вода до 60-65°С , которая поступает в вакуум-

ный деаэратор 10. Деаэрированная вода с температурой 65-70°С идет на подпитку теп-

ловой сети .

В замкнутом контуре первого скруббера вода нагревается до температуры 45°С ,

после чего поступает в установку прямого компримирования водяного пара – ТНУ -2. В

дегазере 12 ТНУ -2 происходит выделение из воды воздуха, удаляемого в атмосферу

Рис. 2. Двухступенчатая теплонасосная установка.

водоструйным эжектором 11. Из дегазера вода, пройдя дроссельное устройство 13, по

ступает в испаритель 14. Образовавшиеся в испарителе пары вскипания сжимаются в

механическом компрессоре 6 до некоторого промежуточного давления, а охлажденная

до 35°С вода после испарителя направляется в скруббер.

Дальнейшее сжатие водяного пара происходит в пароструйных эжекторах 16.

Для уменьшения работы сжатия и увеличения паропроизводительности ТНУ между

ступенями сжатия установлены охладительные установки 15. Некоторое количество

пара после механического компрессора направляется в качестве греющей среды в ваку -

умный деаэратор. Пар , полученный в ТНУ -2 с давлением порядка 0.2МПа поступает в

цилиндры БКДМ непосредственно или после дополнительного компримирования в

эжекторе 17. Часть пара используется для нагрева сушильного воздуха в теплообмен -

нике 18.

В табл. приведены основные расчетные характеристики ТНУ применительно к

вентиляционной системе машины Б–15.

Основные характеристики ТНУ

Характеристика Численное значение

Теплопроизводительность ТНУ–1, МВт 10,4

Мощность электропривода ТНУ–1,МВт 1,92

Коэффициент преобразования ТНУ–1 5,4

Расход отпускаемой горячей воды, т/ч (зима/лето) 156/189

Паропроизводительность ТНУ–2, т/ч:

– за испарителем;

– за эжектором второй ступени

14,8

62,9

Мощность электропривода компрессора ТНУ–2, МВт 2,05

Коэффициент преобразования ТНУ–2 5,9

Средневзвешенный коэффициент преобразования 5,7

Полученное значение средневзвешенного коэффициента преобразования, равное

5,7, показывает высокую энергетическую эффективность предлагаемой схемы.

Вместе с тем, в отличие от ТНУ–1, ряд элементов парогенерирующей установки

требует дополнительной проработки [11]. Так , создание механического компрессора,

работающего на водяном паре, имеет некоторые трудности . Это связано с тем, что вы-

пускаемые воздушные компрессоры не пригодны для работы на водяном паре. На по-

лученный объемный расход пара (более 100 м

/с) может быть спроектирован осевой

компрессор, имеющий более высокий КПД и меньшие габаритные показатели по срав -

нению с центробежными машинами , с применением производимых промышленностью

лопаточных аппаратов. По результатам поступенчатого расчета осевой компрессор при

степени сжатия

= 7,7 и использовании в качестве модельной ступени К–70–17 име-

ет 11 ступеней и изоэнтропный КПД

из

=0,84.

При выполнении тепловых и конструктивных расчетов элементов струйного

сжатия, в качестве которых рассмотрены пароструйные эжекторы, в виде рабочего тела

принят пар , отпускаемый из котла давлением 3,92 МПа (при пароснабжении потреби -

телей непосредственно от котельной вместо РОУ ). Расчеты показали приемлемые габа-

риты струйных компрессоров при среднем значении коэффициента инжекции 0,335

[12].

Технико–экономическое сопоставление приведенных ТНУ с котельной одина-

ковой тепловой мощностью позволяет сделать вывод о их более высокой экономиче -

ской эффективности . Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений со-

ставляет около двух лет.

Выводы

Приведенные в докладе данные свидетельствуют о проявлении значительного

интереса к использованию низкопотенциальной теплоты с помощью ТНУ для промыш -

ленного и бытового теплоснабжения.

Предлагаемая схема ТНУ прямого компримирования водяного пара отличается

высоким коэффициентом преобразования и ее возможное применение в технологиче -

ском процессе ЦБП обеспечивает значительную экономию топлива.

Литература

1. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики : Справочник – каталог. 2–ое

изд. АО ВИЭН., М . 2000.

2. Sanner Burkhard. Erdgekoppelte Wärmepumpen und termische Nutzung des Erdzei-

ches // Klima Haustechn. 2000, 51, № 2. S.56 – 60.

3. Schiefelbien Kai. Neue Entwicklungen bei Luft /Wasser – Heizungswärmepumpen//

Luft – und Kaltetechn. 2000, 36, № 9. S. 418 – 423.

4. Строммен И ., Бредесен А .М . и др. Холодильные установки , кондиционеры и те-

пловые насосы для ΧΧΙ века //Холодильный бизнес, 2000. № 5. С . 8 – 10

5. Степанов И .Р. Перспектива применения теплонасосных установок в районах ев-

ропейского севера России // Институт физико – технических проблем энергети -

ки Севера. Апатиты, 1999.

6. The IEA Heat Pump Program and scope for international collaboration //Refrig Clim.

Confr. and Energy Conserv.: Proc. Meet. Commiss. E2, E1, B1/B2, Melbourne, Febr.

11 –14, 1996/ Jnt. Jnst. Refrig. Paris, 1996. P. 23 – 30.

7. Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России. В

докл. Проекты теплоснабжения на базе тепловых насосов / Калнинь И .М . // Хо-

лод. техника, 1997, № 7. С . 2 – 4.

8. Сильман М . А . Продукция московского завода ''Компрессор''. Тепловые насосы//

Холод. техника, 2000, № 9. С . 20 – 21.

9. Гофлин А.П., Саунин В.И ., Луканин П.В. Применение теплонасосных устано-

вок// Бумажная промышленность,1987,№ 5. С .22–23.

10. Гофлин А.П., Луканин П.В., Саунин В.И . Утилизация теплоты паровоздушной

смеси БДМ с применением теплонасосных установок// Проблемы экономии то-

пливно–энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Меж -

вуз.сб.науч.тр./СПбГТУРП . СПб.,1995. Ч 2. С .44–46.

11. Гофлин А.П., Саунин В.И ., Луканин П.В. Влияние параметров рабочего тела на

энергетическую эффективность теплонасосной установки // Целлюлоза, бумага,

картон , 1992,№ 10. С .11–12.

12. Гофлин А.П., Саунин В.И ., Луканин П.В. Разработка оптимальных схем ТНУ

прямого компримирования водяного пара для утилизации теплоты сбросной во-

ды// Проблемы экономии топливно–энергетических ресурсов на промпредприя-

тиях и ТЭС: Межвуз.сб.науч.тр./СПбГТУРП . СПб.,1997. С .144–146.

Луканин П.В., Саунин В.И. Тепловые насосы - состояние и перспективы

Подождите немного. Документ загружается.