Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом, за счет компенсирующего процесса преобразования

механической работы в теплоту в соответствии со вторым законом

термодинамики осуществляется перенос тепла от менее нагретого тела к более

нагретому. При этом теплота Q

, принятая потребителем, будет в

раза больше

по сравнению с затраченной работой L. Параметр

называется коэффициентом

преобразования и является основной характеристикой теплового насоса.

Эффективность холодильников оценивается по значению холодильного

коэффициента

. Формулы для расчета

, которые даны на рис.6.1,

соответствуют идеальному циклу Карно холодильной машины.

Рассмотренная тепловая машина, работающая по обратному циклу,

широко используется как для получения холода, так и для повышения

потенциала теплоты.

Трансформаторы тепла классифицируются по отношению к температуре

окружающей среды t

о.с.

(рис.6.2) [26]. Если температура теплоприемника

(источника теплоты) t

о.с.

, а температура теплоотдатчика (потребителя

теплоты) t

о.с.

, процесс называется холодильным и служит для выработки

холода. В криогенных установках t

<120 К.

Рис.6.2. Классификация трансформаторов тепла

При t

≥

о.с.

и t

о.с.

процесс называется теплонасосным, служит для

использования тепла окружающей среды или низкопотенциальных тепловых

вторичных энергоресурсов для теплоснабжения.

При t

о.с.

и t

о.с.

процесс называется комбинированным, он

одновременно объединяет два процесса - холодильный и теплонасосный.

По данным Международного института холода, на охлаждение,

необходимое для хранения продуктов, и кондиционирование воздуха,

используется более 10% мирового потребления электроэнергии. В некоторых

странах в летнее время эта цифра превышает 25% из-за пикового использования

кондиционеров в полдень.

Холодильная

установка

Теплонасосная

установка

Комбинированная

установка

о.с.

Криогенная

установка

Т=120 К

Область использования трансформаторов тепла весьма широка, в том

числе и для энергосбережения (рис.6.3). Энергосбережение является

приоритетным направлением при использовании трансформаторов не только из-

за значительного потребления ими энергии, но и из-за возможности повышать

потенциал теплоты низкотемпературных ВЭР и окружающей среды



атмосферного воздуха, грунта и водоемов с помощью тепловых насосов.

Рис.6.3. Область использования трансформаторов тепла

С помощью тепловых насосов можно уменьшить потребление энергии,

которое ведет к глобальному потеплению. Сжижение топлив, подобных

природному газу, улучшает энергетические характеристики их транспорта и

использования. Криогенная техника используется для решения проблемы

сверхпроводимости, которая также открывает поле деятельности для

Сохранение

пищи

Сжижение газов

Холодильная

технология

Сверхпроводимость

Тепловые

насосы

Синтез

водорода

Трансформация энергии

Усовершенствование передачи

и использования энергии

Сохранение энергии

Уменьшение потерь и

сопутствующей отработанной энергии

в сельском хозяйстве и

пищевой промышленности

Проектирование

¾ Автоматизация

Оттаивание

¾ Очистка

теплообменников

Совершенная

теплоизоляция

Пассивное охлаждение

¾ Увлажнение

энергосбережения. Хотя в этом направлении предстоит еще многое сделать.

Наконец, низкие температуры, возможно, скоро помогут сделать реальным в

промышленных масштабах термоядерный синтез водорода для производства

энергии, что решит энергетические проблемы в течение длительного периода

времени.

В настоящее время тепловые насосы в Беларуси применяются в

значительно меньшей степени, чем холодильники. Здесь имеется значительный

резерв для экономии энергии. Например, по данным промышленности США

[27], максимальное количество сбросного тепла, поступающего в окружающую

среду, имеет температуру до 100

С (рис.6.4). Это тепло может быть

утилизировано с помощью тепловых насосов и повторно использовано для

теплоснабжения.

Наибольшее распространение получили термомеханические трансформа-

торы тепла: компрессионные, сорбционные и вихревые.

Рис.6.4. Изменение количества сбросного тепла от температуры

6.2. Компрессионные трансформаторы тепла

На рис.6.5 представлены схемы компрессионных трансформаторов

тепла, основными элементами которых, являются испаритель (теплоприемник),

компрессор (преобразователь механической работы в теплоту), конденсатор

(теплоотдатчик) и регулируемый дроссель для организации циклической работы

трансформатора. Рабочее вещество циркулирует в контуре и перемещается с

0 200 400 600 800

Печные газы

Дымовые газы котлов

Технологические продукты

Конденсат

Техническая вода

Охлаждающая вода

Температура,

Сбросная теплота,10

Дж/год

помощью компрессора. От источника теплота Q

передается рабочему веществу

в испарителе, где оно переходит из жидкого агрегатного состояния в

газообразное и направляется в компрессор. Компрессор работает от привода.

Первичная энергия N

, потребляемая приводом компрессора, преобразуется в

теплоту при совершении работы сжатия над рабочим веществом, что является

причиной повышения его давления и температуры, а следовательно, и

потенциала тепла, подведенного к теплоприемнику. Далее рабочее вещество

поступает в конденсатор, от которого теплота Q

подается потребителю или

окружающей среде. В дросселе давление понижается до первоначального, и

цикл замыкается.

Рис.6.5. Схемы компрессионных трансформаторов тепла с воздушными аппаратами (а),

с конденсатором жидкостного охлаждения и испарителем в грунте (б) и

термокомпрессора (в): 1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 - дроссель

Теплоотдающие и теплопринимающие среды могут находиться в

газообразном, жидком или твердом состоянии. В связи с этим испарители и

конденсаторы отличаются конструкцией, что схематично показано на

рис.6.5а - 6.5в. Допускаются различные комбинации теплообменных аппаратов.

Коэффициент преобразования и холодильный коэффициент реального

трансформатора тепла равны

;

=ε

=ϕ

(6.1)

где N

– мощность, потребляемая приводом компрессора.

а)

ТА

в)

б)

Минимальное значение коэффициента преобразования, при котором

действительно достигается экономия энергии зависит, от типа привода

компрессора и источника энергии. Например, для теплового насоса с

электроприводом минимальное значение

должно превышать 2,3 при

снабжении электроэнергией от ТЭС и 2,8



от ТЭЦ. Это следует из раздела 2,

где рассматривались вопросы эффективного использования первичной энергии

при производстве электричества. В действительности минимальные предельные

значения

могут отличаться в соответствии с реальным электрическим

коэффициентом полезного действия ТЭС или ТЭЦ.

В некоторых случаях рабочим веществом трансформатора тепла могут

служить технологическое сырье и готовый продукт. Тогда схему можно

упростить, совместив в одном теплообменном аппарате (ТА) испаритель и

конденсатор (рис.6.5в). Такое устройство называется термокомпрессором. Оно

применяется в процессах выпаривания, разделения смесей. Рассмотрим другие

области применения тепловых насосов.

Традиционно разделение смесей на компоненты проводится в

ректификационных колоннах (рис.6.6а). В среднюю часть колонны 1 подается

разделяемая смесь I, которая нагревается и испаряется в рибойлере 2 с помощью

технологического водяного пара. Компоненты с высокой температурой кипения

отводятся в виде нижнего продукта III, а легколетучие компоненты поступают в

дефлегматор 3, конденсируются и отводятся в виде верхнего продукта II. Для

Рис.6.6. Традиционная схема установки разделения углеводородных смесей (а) и схема

с тепловым насосом (б) [27]: 1 – ректификационная колонна; 2 – рибойлер; 3 –

дефлегматор; 4 – испаритель; 5 – компрессор; 6 – конденсатор; 7 - дроссель

III

б)

III

Пар

Вода

а)

более полного разделения исходной смеси осуществляется рециркуляция

нижнего и верхнего продукта. Как правило, системы с применением

технологического пара имеют невысокий КПД использования тепла первичного

источника из-за больших потерь при транспорте пара и возврате конденсата.

Другим недостатком рассмотренной схемы является снижение

производительности дефлегматора в летнее время, когда температура

охлаждающей воды возрастает.

Использование теплового насоса в рассмотренной схеме (рис.6.6б)

позволяет отказаться от применения пара, повысить стабильность выхода

продукта в течение всего года, что приводит к уменьшению энергопотребления

на 25-30%.

В промышленности имеется большое количество сточных вод с

температурой 30-40

С, для повышения потенциала энергии которых могут

использоваться тепловые насосы. Схема теплового насоса для утилизации тепла

сточных вод дана на рис.6.7. Такие тепловые насосы выпускаются за рубежом

[27]. Источником теплоты в них могут быть сточные воды с температурой 18-

С. Температура получаемой горячей воды достигает 60-104

С. Тепловая

мощность данных тепловых насосов составляет 30-5000 кВт с коэффициентом

преобразования 3-6. Конкретные схемы подключения теплового насоса к

технологическим линиям зависят от специфики производства, где имеется

низкопотенциальное сбросное тепло.

Рис.6.7. Тепловой насос для утилизации низкопотенциального тепла промышленных

сточных вод: 1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 - дроссель

Во многих производствах используются процессы сушки сырья,

промежуточной и готовой продукции, а в строительстве - элементов

конструкций. Данный процесс осуществляется с помощью сушильного агента,

чаще всего воздуха. Осушаемый материал помещается в камеру, где

организуется циркуляция подогретого сушильного агента, который поглощает

влагу (рис.6.8а). Данная схема является разомкнутой. Сушильный агент

Источник тепла

18-54

(вход в испаритель)

Выход из

испарителя

Теплая вода

на подогрев

Горячая вода

60-104

постоянно или периодически обновляется путем удаления в атмосферу, и тем

самым влажность материала постепенно снижается до требуемой величины.

Обычно сушильный агент поступает в атмосферу с температурой 30-70

С. С

целью эффективного использования энергии проводится регенерация теплоты

удаляемого сушильного агента в теплообменнике.

Энергопотребление для проведения сушки можно понизить, применив

тепловой насос [27]. Простая схема модернизированного процесса дана на

рис.6.8б. Вместо рекуператора устанавливается тепловой насос. Сушильный

агент, проходя через конденсатор, нагревается и направляется в

технологическую камеру. При этом для обеспечения надежности получения

заданных параметров агента имеется резервный нагреватель, но с меньшей

мощностью, чем в прототипе (рис.6.8а). После удаления из камеры сушильный

агент поступает в испаритель теплового насоса, где охлаждается и передает

теплоту рабочему веществу трансформатора тепла. Рабочий цикл замыкается.

Процесс сушки можно усовершенствовать и сделать более

энергоэкономичным. Усовершенствованная схема процесса сушки с

использованием теплового насоса дана на рис.6.8в. Здесь реализована замкнутая

схема циркуляции сушильного агента. При этом тепловой насос работает в

таком режиме, что поверхность испарителя имеет температуру ниже точки росы.

Когда отработанный сушильный агент, насыщенный влагой, проходит через

испаритель, она конденсируется и удаляется из камеры. Для уменьшения

энергозатрат организуется байпасирование нагретого сушильного агента, когда

он направляется в конденсатор, минуя испаритель. В таком случае

теплопроизводительность теплового насоса может быть уменьшена, без ущерба

для качества сушки материала.

Рассмотренная схема процесса сушки (рис.6.8в) имеет ограничения по

минимальной влажности сушильного агента, которая составляет около 30%. При

более низкой влажности испаритель работает неэффективно, так как

интенсивность конденсации влаги на поверхности резко снижается. Поэтому для

процессов сушки с более жесткими требованиями к минимальной влажности

осушаемого материала предпочтительной является разомкнутая схема (рис.6.8б).

При этом можно подобрать такой тепловой насос, что резервный нагреватель не

потребуется. Наибольшая эффективность от внедрения тепловых насосов в

сушильные процессы будет при замещении электронагрева сушильного агента.

Рассмотренные схемы с тепловыми насосами применяются при сушке

древесины, зерна, продуктов в пищевой промышленности, строительстве и

других сферах [27,28].

Рис.6.8 Схемы процесса сушки: а - традиционная; б – разомкнутая с тепловым насосом;

в - замкнутая с тепловым насосом

В некоторых странах (США, Япония, Швеция и др.) тепловые насосы

широко используются для нужд централизованного и местного (локального)

теплоснабжения. Возможный вариант организации теплоснабжения

промышленного предприятия с помощью тепловых насосов показан на (рис.6.9)

[27]. Первоначально энергоснабжение осуществлялось от ТЭС и котельной. В

котельной тепло генерируется для нужд отопления и кондиционирования

воздуха. После использования электроэнергии в технологических процессах она

в виде теплоты сбрасывается в окружающую среду с помощью градирни.

Внедрение теплового насоса для теплоснабжения позволяет отказаться

от эксплуатации котельной и снизить потребление первичной энергии в виде

топлива на 16% при росте электрической мощности ТЭС на 7%. Дополнительное

производство электроэнергии требуется для привода компрессоров.

Влажный

материал

Испаритель

Дроссель

Байпасирование

воздуха

Сконденсированная влага

Конденсатор

Компрессор

Влажный

материал

180

Нагреватель

Рекуператор

Влажный

материал

Нагреватель

Конденсатор

Испаритель

Компрессор

Дроссель

а)

б)

в)

Рис.6.9. Традиционная схема теплоснабжения промышленного предприятия (а) и с

использованием теплового насоса (б): 1 – испаритель; 2 – дроссель; 3 – компрессор; 4 –

электродвигатель; 5 - конденсатор

В случаях, когда одновременно имеются потребители как тепла, так и

холода, энергетическая эффективность трансформаторов тепла возрастает. Это

объясняется тем, что обобщенный коэффициент преобразования энергии будет

равен

ε+ϕ=

K . (6.3)

Схема таких трансформаторов тепла, которые служат для производства

ледяной воды с температурой 0,5-1,0

С и горячей воды



С, дана на

24%

ТЭС

34%

65%

Топливо

31%

24%

Потребители

Котельная

Градирня

35%

Топливо

31%

Расход топлива 65%+35%=100%

ТЭС

45%

84%

Топливо

31%

24%

Потребители

Градирня

24%

31%

Расход топлива 84%+0%=84%

а)

б)

Сбросное

тепло

Окружающая

среда

рис.6.10. Данная схема может быть использована в химическом производстве и

молочной промышленности, которые являются значительными потребителями

холода. Параметры холода могут быть получены в соответствии с запросами

потребителей. Теплота может применяться в низкотемпературных системах

отопления, для горячего водоснабжения и других нужд.

Рис.6.10. Схема комбинированных трансформаторов тепла для разомкнутой системы

холодо- и теплоснабжения (а) и замкнутой системы теплоснабжения (б): 1 –

испаритель; 2 - отделитель жидкости; 3 - регенератор; 4 - компрессор; 5 - конденсатор;

6 - ресивер; 7 - терморегулирующий вентиль; 8 - насос; 9 - охладитель

технологического продукта; 10 - аккумулятор тепла; 11 - система горячего

водоснабжения; 12 - система отопления. Сплошная линия - контур хладагента,

штриховая - технологический контур холодо- и теплоносителя

Рассмотренные примеры использования компрессионных

трансформаторов тепла не исчерпывают их широких возможностей в области

эффективного использования энергии. С их дополнительными функциями и

масштабами использования можно ознакомиться в работах [26-30].

6.3. Сорбционные трансформаторы тепла

Сорбционные трансформаторы тепла можно разделить на два типа:

абсорбционные и адсорбционные. В абсорбционных трансформаторах

используются жидкие сорбенты, поглощающие газообразные вещества всей

массой, а в адсорбционных - твердые, поглощающие вещества поверхностным

слоем.

Наиболее распространены абсорбционные трансформаторы тепла,

упрощенная схема одного из них дана на рис.6.11а. Если сравнить этот

трансформатор с компрессионным (см. рис.6.5а), можно увидеть, что вместо

а) б)