Тепловой насос на сточных водах

Васильев Г.П., д.т.н.,; Закиров Д.Г., д.т.н.; Абуев И.М., инженер; Горнов В.Ф., инженер

Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологический ущерб от его сжигания обусловили значительное повышение интереса к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Существенный потенциал ВЭР для применения в энергосберегающих системах теплоснабжения представляет собой тепловая энергия канализационных стоков.

Деятельность человека сопряжена с постоянным использованием горячей воды в бытовых и санитарно-гигиенических целях. Затрачивая тепловую энергию на нагрев воды в системах горячего водоснабжения, мы, затем сбрасываем её со сточными водами в канализационные системы, теряя безвозвратно и, к тому же, вызывая тепловое загрязнение окружающей среды.. Таким образом, везде, где обитает и осуществляет хозяйственную деятельность человек, существует постоянный значительный источник низкопотенциальной теплоты в виде тёплых канализационных сточных вод.

Энергетический потенциал сточных вод по регионам России по данным 2001 г. приведен в таблице 1 и на диаграмме рис. 1.

Технический тепловой потенциал сточных вод характеризуется технологической готовностью отечественной инженерной техники к реализации и внедрению проектов теплоснабжения с использованием теплоты сточных вод.

Существуют отечественные и зарубежные примеры успешной реализации технологии утилизации сточных вод для целей теплоснабжения.

В России в 2000 г. в г. Перми на канализационно-насосной станции РНС-3 «Гайва» институтом МНИИЭКО ТЭК совместно с МП «Пермводоканал» была разработана и внедрена технология утилизации низкопотенциального тепла неочищенных сточных вод, с применением теплового насоса для нужд теплоснабжения собственно насосной станции (см. рис. 2). В течение 6 лет эта технология обеспечивала теплоснабжение здания РНС.

2004 г. в г. Зеленограде (район Москвы) на районной тепловой станции (РТС) № 3 вступила в строй автоматизированная теплонасосная установка (АТНУ) тепловой мощностью 2000 кВт, утилизирующая теплоту неочищенных сточных вод расположенной поблизости КНС и предназначенная для подогрева исходной воды перед котлами РТС для последующей подачи в открытую систему горячего водоснабжения прилегающего микрорайона (см. рис. 3 и 4). Установка успешно работает в течение 5 лет.

Дальнейшее расширение области внедрение этой энергоэффективной и энергосберегающей технологии необходимо рассматривать в комплексе с технологией канализации сточных вод.

Путь хозяйственно-бытовых и технологических сточных вод в условиях городов состоит из нескольких этапов. Образуясь в зданиях и сооружениях, они собираются в общий выпуск и поступают в самотёчную городскую канализацию. Система подземных самотёчных каналов подаёт сточные воды в канализационно-насосные станции, откуда они напорными трубопроводами подаются на очистные сооружения. После этого уже очищенные сточные воды сбрасываются в естественные водоёмы или на рельеф. По мере движения поток сточных вод увеличивается, достигая максимума на очистных сооружениях. Так, в Москве на десятки тысяч зданий существует около 140 канализационно-насосных станций и всего два крупных блока очистных сооружений (Курьяновские и Люберецкие).

Утилизация теплоты сточных вод может быть реализована на любом этапе, но тепловой ресурс зависит от температуры и расхода сточных вод, соответственно мощность утилизационных установок будет различная.

С другой стороны, мощность этих установок зависит от спроса на тепловую энергию. Так, на очистных сооружениях, где имеется самый большой тепловой потенциал, спрос ограничивается потребностью в тепловой энергии самих очистных сооружений, поскольку они удалены от прочих потребителей, а транспортировка тепловой энергии связана со строительством дорогостоящих теплофикационных сетей. Более привлекательными объектами являются канализационно-насосные станции, расположенные, как правило, в пределах городской застройки. При канализационно-насосных станциях возможно строительство тепловых пунктов горячего водоснабжения прилегающих микрорайонов за счёт утилизации теплоты сточных вод. Одновременно эти пункты могут обеспечить хладоснабжение систем кондиционирования воздуха. На сегодня препятствием является различная ведомственная принадлежность систем канализации и теплоснабжения, отсутствие единого хозяйственного механизма и способа расчёта экономической выгоды от внедрения этой технологии. Этой проблемы нет, если утилизацию теплоты сточных вод выполнять непосредственно у зданий и сооружений, экономический эффект оценивается непосредственно в снижении эксплуатационных затрат на обслуживание здания. Естественно, тепловая мощность утилизации в разных случаях будет существенно отличаться (см. таблицу ниже).


* в зависимости от размеров станций и прилегающих микрорайонов;
** при значительном ресурсе в зависимости от тепловой нагрузки потребителя.

Особняком рассматривается утилизация сточных вод автономных малых зданий и сооружений: сельских домов, коттеджей, придорожных кафе и т. п. В этом случае целесообразно рассматривать утилизаторы теплоты сточных вод совместно с автономными очистными сооружениями. Тепловая мощность таких систем, по-видимому, не превысит 10–15 кВт.

На сегодняшний день наибольший интерес представляют следующие области применения технологии утилизации сточных вод:

  • внутриквартирные теплоутилизаторы для многоэтажных и индивидуальных домов тепловой мощностью от 1 до 3 кВт;
  • придомовые теплоутилизаторы для многоэтажных домов тепловой мощностью от 100 до 300 кВт;
  • теплоутилизаторы на канализационно-насосных станциях для городских и поселковых микрорайонов тепловой мощностью от 400 до 6000 кВт в зависимости от размеров станций и микрорайонов;
  • теплоутилизаторы, совмещённые с местными очистными сооружениями, для индивидуальных домов и коттеджей тепловой мощностью от 10 до 15 кВт;
  • теплоутилизаторы для учреждений водоканала — все объекты технологической цепочки канализации сточных вод; тепловая мощность — в зависимости от тепловой нагрузки потребителя.

Ориентировочные параметры систем утилизации приведены в таблице 2.

Утилизация теплоты сточных вод решает целый комплекс задач — энергосбережение, защита окружающей среды, повышение комфортности жилья, снижение эксплуатационных затрат. Поэтому эта технология должна стать объектом пристального внимания со стороны специалистов, предпринимателей и администраций различного уровня.

А. А. Потапова, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Говорин, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Албул, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

Бурно развивающийся рынок тепловых насосов малой мощности (до 100 кВт) позволяет предположить возможность эффективного использования аналогичных устройств большой мощности – до 30 МВт и более. Их применение особо актуально в городах, где остро стоит проблема утилизации тепловых отходов, например, сточных вод. Немаловажными являются вопросы использования в тепловых насосах экологичных хладогентов.

Применение высокотемпературных тепловых насосов

Каковы перспективы применения мощных тепловых насосов для модернизации и развития систем теплоснабжения? Их преимущества по сравнению с маломощными тепловыми насосами заключаются в следующем:

  • более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);
  • меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;
  • более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

В нашей стране наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы с винтовыми компрессорами производят в Новосибирске (ЗАО «Энергия») тепловой мощностью 500–3 000 кВт (большая мощность достигается за счет объединения блоков по 500 кВт), с центробежными компрессорами – в Казани (НПО «Казанькомпрессормаш») тепловой мощностью до 8,5–11,5 МВт.

В мире наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы имеют тепловую мощность до 30 МВт с двухступенчатыми центробежными компрессорами.

Для теплоснабжения Стокгольма построена и работает станция тепловых насосов с 6 агрегатами общей мощностью 180 МВт. В качестве источника теплоты используется морская вода, в зимний период температура которой опускается до 2–4 °С. В Хельсинки и Осло работают тепловые насосы на сточных водах. В летний период они производят одновременно тепло для горячего водоснабжения и холод для кондиционирования крупных торговых и бизнес-центров.

Применение тепловых насосов большой мощности наиболее эффективно в крупных городах, где большие тепловые и холодильные нагрузки в течение длительного периода и где остро стоит проблема утилизации отходов, в том числе и тепловых, таких как сточные воды.

Тепловой насос на сточных водах

В качестве примера рассмотрим работу теплового насоса с двухступенчатым центробежным компрессором и промежуточным сосудом с тепловой мощностью 17 МВт. На рис. 1 представлена схема такого теплового насоса с температурой в испарителе 3,5 °С и 90,1 °С в конденсаторе. В качестве рабочего тела используется хладагент R-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан CH2F-CF3) с температурой 101,08 °С и давлением 40,603 бар в критической точке, не оказывающий влияния на озоновый слой.

Читайте также:  Сколько ровнителя надо на пол

Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса при использовании тепла сточных вод.

По результатам расчета теплового насоса [1] потребление электрической энергии на привод компрессора получилось равным Nэ = 7 075 кВт.

Коэффициент трансформации тепла, определяемый как отношение тепловой мощности компрессора к величине потребляемой им электрической энергии, получается равным 17 000/7 075 = 2,40.

Это немного, однако нужно учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе:

t = 90,1 – 3,5 = 86,6 °С, недоступный для большинства других типов тепловых насосов.

При подаче в испаритель охлаждаемой воды в летний период вместо сточных вод тепловой насос помимо тепла может производить холод для систем кондиционирования, при этом его холодопроизводительность будет равна Qисп = 10 073 кВт.

Тепловой насос на обратной сетевой воде

В статье [2] рассматривается возможность применения тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды в непосредственной близости от потребителей (на ЦТП, пиковой котельной и т. д.), которая возвращается на ТЭЦ из системы централизованного теплоснабжения.

Одним из важных достоинств такой тепловой схемы является снижение температуры обратной воды, что позволит повысить комбинированную выработку электроэнергии на ТЭЦ на тепловом потреблении. Это тем более актуально в связи с тем, что температура обратной сетевой воды постоянно завышается, чему есть много разных причин, и не только технических. В двух таких разных городах, как Краснодар и Красноярск, было отмечено превышение температуры воды в обратной линии систем теплоснабжения в зимний период над нормативной по тепловому графику на 5–8 °С.

Для сравнения был проведен расчет рассмотренного выше теплового насоса на тепле обратной сетевой воды. Было принято, что температура хладагента в конденсаторе равна тем же 90,1 °С, а в испарителе 40 °С. Часть сетевой воды, поступающая из обратного трубопровода системы теплоснабжения, направляется в испаритель, где охлаждается с 58 до 46 °С и затем возвращается на ТЭЦ. Вода из обратной линии внутреннего контура системы отопления локального потребителя, направляется в конденсатор теплового насоса и нагревается с 58 до 88 °С для возврата потребителю.

При тепловой мощности конденсатора 17 000 кВт потребление электрической энергии на привод компрессора составит 4 050 кВт, а коэффициент трансформации тепла соответственно будет равен 4,20.

При определении мест для установки и наиболее эффективной работы тепловых насосов в системе централизованного теплоснабжения необходимо определить приоритетную шкалу их энергетической и экономической эффективности. Для определения такой шкалы наиболее интересной представляется работа [3] , согласно которой тепловые насосы должны в первую очередь замещать электрические котлы и водогрейные котлы на органическом топливе и не снижать комбинированную выработку электроэнергии ТЭЦ на тепловом потреблении.

Перспективы применения высокотемпературных тепловых насосов для развития систем теплоснабжения Москвы

Создание крупных теплонасосных установок (мощностью до 100 МВт) для развития систем теплоснабжения города Москвы активно обсуждалось в конце 1970-х годов, однако, к великому сожалению, эта программа не была принята к реализации.

Мировой опыт развития крупной теплонасосной техники 1980–2000 годов полностью подтвердил их высокую энергетическую эффективность.

Для создания современных тепловых насосов большой мощности необходимо присутствие нескольких факторов: государственная программа целевого финансирования; законодательство, стимулирующее применение энергосберегающего и экологически чистого оборудования; уровень цен на энергетические ресурсы, вынуждающий потребителей внедрять энергосберегающую технику.

Другим вариантом (не альтернативным) является закупка зарубежного теплового насоса большой мощности для демонстрационного проекта теплоснабжения одного из районов Москвы.

В условиях относительно низких цен на природный газ эффективным может стать проект создания теплового насоса с газопоршневым и газотурбинным приводом и утилизацией тепла в котле-утилизаторе.

Также перспективным может быть применение абсорбционных тепловых насосов с газовым обогревом. В [4] показано, что при развитии систем теплоснабжения абсорбционные и парокомпрессионные тепловые насосы не должны противопоставляться друг другу, но нужно использовать лучшие качества каждого из них и находить такие комплексные решения, которые позволили бы получить максимальную выгоду от их совместного использования при производстве тепла и холода для кондиционирования.

Основным заказчиком для реализации тепловых насосов большой мощности может стать ОАО «МОЭК». Для реализации тепловых схем с тепловыми насосами на сточных водах и обратной сетевой воде в совместную работу могут быть вовлечены МГУП «Мосводоканал» и ОАО «Мосэнерго», что даст значительный энергосберегающий и экологический эффект для Москвы.

Создание экологичных хладагентов

Актуальной является проблема использования в тепловых насосах систем теплоснабжения хладагентов, не влияющих на озоновый слой и на глобальное потепление.

В 1990-е годы в России рядом институтов страны был выполнен большой объем работ по переводу промышленности на новый класс химических соединений взамен запрещенных озоноразрушающих веществ (ОРВ). В результате проведенных исследований предложена номенклатура новых хладагентов: гидрофторуглероды ГФУ R-134а,

R-152a, R-125, R-32 и др. Основное отличие данных соединений от ОРВ – отсутствие в их молекулах атомов хлора и брома, которые могут участвовать в цикле разложения озона. Кроме нулевого значения озоноразрушающего потенциала (ODP) и величины потенциала глобального потепления климата (GWP) главным критерием при выборе заменителей ОРВ является близость физико-химических и эксплуатационных свойств к аналогичным характеристикам заменяемых ОРВ. Основные свойства хладагентов представлены в таблице.

В мире намечается тенденция активного использования хладагентов четвертого поколения, имеющих высокую эффективность, не влияющих на озоновый слой и оказывающих минимальное воздействие на глобальное потепление (рис. 2).

История развития хладагентов

На основе моделирования построена прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов (рис. 3), происходящих в тепловом насосе на новом хладагенте четвертого поколения R-1234ze(E) (тетрафторпропилене CF3CH=CHF). Из диаграммы видно, что двухступенчатая схема с промежуточным сосудом позволяет наиболее простым и надежным способом обеспечить высокотемпературный нагрев сетевой воды системы теплоснабжения [4]. Промежуточный сосуд действует как сепаратор фазы при промежуточном давлении после попадания туда парожидкостной смеси (поток 7 на рис. 1) и перегретого пара (поток 2) и является самым легким способом создания двухступенчатой системы (без риска попадания жидкости во вторую ступень компрессора с потоком 11). Дополнительное повышение эффективности дает переохлаждение хладагента в переохладителе (процесс 3–6), т. к. при этом повышается передаваемая потребителю тепловая нагрузка в конденсаторе (процесс 5–6) без увеличения расхода хладагента.

Прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого теплового насоса на хладагенте 1234ze(E) на сточных водах

Сравнение характеристик теплового насоса по коэффициенту трансформации тепла показывает, что для R-134а μ= 2,4 [1], для R-1234yf = 2,2, для

R-1234ze(E)μ = 2,6. Большее значение коэффициента трансформации для хладагента R-1234ze(E) во многом обусловлено большим значением критической температуры (см. таблицу).

Таблица
Свойства различных хладагентов
Хлада-
генты
Озоно-
разруша-
ющий
потенциал
(ODP)
Озоно-
разру-
шаю-
щий
потен-
циал
(ODP)
Потен-
циал
глобаль-
ного
потеп-
ления
климата
(GWP)
Моль-
ная
масса,
г/моль
Нормаль-
ная тем-
пература
кипения
при дав-
лении
1 атм, °С
Крити-
ческое
давле-
ние,
МПа
Крити-
ческая
темпе-
ратура,
ºС
ОРВ R-12
(CF2Cl2)
1 10900 120,9 –29,8 4,13 112,0
R-22
(CHClF2)
0,055 1780 86,5 –40,8 4,99 96,1
Озоно-
безопас-
ные
R-134a
(CF3CH2F)
1430 102 –26,1 4,06 101,1
R-32
(CH2F2)
720 52,0 –51,7 5,79 78,1
R-407C* 1800 86,2 –43,6 4,63 86,0
Озоно-
безопас-
ные с
малым влиянием
на глобаль-
ное потеп-
ление
R-290
(CH3CH2CH3)
20 44,1 –42 4,25 96,8
R-717
(NH3)
17,0 –33,3 11,33 132,3
R-744
(CO2)
1 44,01 –78,4 7,38 30,98
R-1234yf
(CF3CF=CH2)
4 114 –29 3,38 95,0
R-1234ze(E)
(CF3H=CHF)
8** 114 -19** 3,58** 111**

* Смесь R-32/125/134a (23/25/52 %).

Потенциальный рынок для новых экологичных хладагентов – это полная замена всех ОРВ, переходных ОРВ, а также озонобезопасных хладагентов в тепловых насосах, в промышленных холодильных машинах и бытовых холодильниках, в системах кондиционирования зданий и автомобилей. В последующем новые материалы на основе фтора, не влияющие на глобальное потепление, могут найти применение для систем пожаротушения, производства пеноматериалов в строительстве и т. д.

Таким образом, необходимо найти новые хладагенты четвертого поколения с GWP

Султангузин И.А., д.т.н., профессор; Потапова А.А., инженер

Актуальность применения тепловых насосов большой мощности для систем централизованного теплоснабжения

Тепловые насосы позволяют переносить тепло от более холодного тела к более горячему посредством испарения и конденсации, использовать теплоту практически всех окружающих сред: воды, воздуха, грунта. Теплонасосные установки давно доказали свою эффективность благодаря тому, что передают потребителю в 3 – 5 раз больше энергии, чем затрачивают сами на ее передачу [1-3]. Кроме того, в тепловых насосах используются экологически чистые технологии практически без выбросов вредных веществ в окружающую среду [4,5].

Читайте также:  Сколько держит заряд хонор 10

Тепловые насосы малой мощности (до 100 кВт) получили широкое распространение в высокотехнологичных странах мира. Они компакты, надежны, экологичны, работают при низких температурах наружного воздуха зимой, а также способны осуществлять кондиционирование помещений в теплый период года.

Но если бурно развивается рынок маломощных тепловых насосов, то необходимо оценить перспективы применения тепловых насосов большой мощности (до 30 МВт и более) для модернизации и развития систем теплоснабжения. Их преимущества по сравнению с тепловыми насосами малой мощности заключаются в следующем:

· более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);

· меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;

· более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

В нашей стране наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы с винтовыми компрессорами производят в Новосибирске (ЗАО «Энергия») тепловой мощностью 500 – 3000 кВт (большая мощность достигается за счет объединения блоков по 500 кВт) [3,6], с центробежными компрессорами – в Казани (НПО «Казанькомпрессормаш») тепловой мощностью до 8.5 – 11.5 МВт [7].

В мире наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы имеют тепловую мощность до 30 МВт с двухступенчатыми центробежными компрессорами [3,7-10]. Для теплоснабжения Стокгольма (Швеция) построена и работает станция тепловых насосов с 6-ю агрегатами общей мощностью 180 МВт. В качестве источника теплоты используется морская вода, в зимний период температура которой опускается до +2 — +4 ºС [10,11]. В Хельсинки (Финляндия) и Осло (Норвегия) работают тепловые насосы на сточных водах [9,10,12]. В летний период они производят одновременно тепло для горячего водоснабжения и холод для кондиционирования крупных торговых и бизнес-центров.

Реализация тепловых насосов большой мощности наиболее эффективна в крупных городах, где большие тепловые и холодильные нагрузки в течение длительного периода, где остро стоит проблема утилизации отходов, в том числе и тепловых, таких как сточные воды [4].

Климатические условия в Санкт-Петербурге, Калининграде являются наиболее близким к скандинавским странам. Также температурные условия атмосферного воздуха в зимний период в северных странах Европы близки к значительной части территории России. В связи с этим географические области применения тепловых насосов в России могут быть существенно расширены [4].

На первом этапе развития систем теплоснабжения на основе тепловых насосов необходимо выбрать наиболее перспективные направления:

· крупные мегаполисы, где остро стоят экологические проблемы (Москва, Санкт-Петербург) [4];

· города, где нет природного газа, где относительно дешевая электроэнергия и используются электрические котлы (Красноярск);

· южные города с круглогодичной потребностью в тепловой энергии (ГВС, отопление, вентиляция) и в холоде (в т.ч. для кондиционирования) (Краснодар, Сочи).

В качестве источников энергии для тепловых насосов могут быть использованы различные среды: морская и речная вода, грунт и грунтовые воды, сточные воды, обратная сетевая вода систем теплоснабжения, уходящие газы котлов и т.д.

Необходимо разработать концепцию применения оптимальных систем с тепловыми насосами для каждого из этих регионов.

В традиционной системе теплоснабжения температура воды в подающем трубопроводе теплового ввода составляет 150 ºС, во вторичной сети 95 ºС, а в сети ГВС 60-70 ºС [1]. Чем выше температура в подающем трубопроводе, тем большее количество тепловой энергии переносится к потребителям тепловой энергии меньшим количеством перекачиваемой воды на большие расстояния.

Но если при сжигании ископаемого топлива в водогрейных котлах с температурой 1000 — 1500 ºС нагревается вода до 100 — 150 ºС, то эксергия топлива снижается в 10 раз.

При отоплении жилых и общественных зданий необходимо поддерживать внутреннюю температуру на уровне 20 – 22 ºС [1,13].

В тепловых насосах реализуется идея перекачки теплоты от низкотемпературного источника, в пределе соответствующем температурным параметрам окружающей среды. В этом случае разность температур источника и потребителя тепловой энергии будет минимальной.

В последние годы достигнут большой прогресс в получении новых строительных материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами, разработаны технологии утепления существующих зданий. Во многих странах, включая Россию, пересматриваются нормы потерь теплоты от ограждений и оконных стекол в окружающую среду [4,13], соответственно, снижается требуемая температура теплового источника, например, при отоплении через пол температура подающей воды может составлять 40 – 45 ºС, что выгодно для применения тепловых насосов.

Однако наличие дешевого природного газа в условиях России делает тепловые насосы дорогими и малодоступными из-за относительно высоких капитальных вложений. Это приводит к большим срокам окупаемости. В ближайшей перспективе цены на газ будут расти, и могут выйти на уровень, близкий к мировым ценам, что существенно повысит конкурентоспособность тепловых насосов [2].

Таким образом, развитие систем централизованного теплоснабжения с применением тепловых насосов требует разработки новых принципов и новых нормативов.

Достоинство тепловых насосов заключается также в том, что они могут быть встроены и в существующие системы теплоснабжения. Крупные теплонасосные установки могут «перекачивать» теплоту от источника с температурой 0 – +15 ºС до 70 – 90 ºС.

Одноступенчатые тепловые насосы хорошо работают при нагреве рабочей среды до 60 ºС [6], что ограничивается степенью повышения давления в ступени компрессора не более 7-12 [1]. Для обеспечения более высоких температур нагрева используются двухступенчатые [9,12] или каскадные схемы теплонасосных установок [6]. Переход к более сложным тепловым схемам позволяет повысить коэффициент трансформации тепла теплонасосных установок, но при этом возрастают капитальные затраты.

Расчет теплового насоса на сточных водах

В качестве примера рассмотрим работу теплового насоса с 2-х ступенчатым центробежным компрессором и промежуточным сосудом с тепловой мощностью 17 МВт. На рис. 1 представлена схема такого теплового насоса с температурой в испарителе 3.5 ºС и в конденсаторе 90.1 ºС. В качестве рабочего тела в тепловом насосе используется хладагент R-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан CH2F-CF3) с температурой 101.08 ºС и давлением 40.603 бар в критической точке, не оказывающий влияния на озоновый слой.

Рис. 1. Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса
при использовании тепла сточных вод.

Для выявления взаимосвязи термодинамических параметров во всех точках рабочего процесса (давления P, температуры T, молярного объема V, теплоемкости cp, энтальпии H и энтропии S) исследуемого хладагента, как реального газа, было применено уравнение состояния Пенга–Робинсона, являющееся одним из наиболее точных в области, близкой к критической точке [14]:

,

где Р – давление (МПа), Т – температура (К), V – молярный объем (м 3 /кмоль), R = 0,0083144 МПа∙м 3 /кмоль∙К [кДж/(моль К)], a, b, α — коэффициенты, определяемые на основе термодинамических свойств хладагента в критической точке [15]. Коэффициент сжимаемости Z входит в уравнение состояния реального газа вещества в виде

Изменения значений энтальпии HP,T [Дж/моль] и энтропии SP,T [Дж/(моль·К)] для давления P и температуры T при последовательном переходе от одной точки рабочего процесса к другой определялись на основе термодинамических расчетов, алгоритм которых представлен в [15]. Погрешность определения термодинамических параметров в соответствии с указанными алгоритмами по сравнению с табличными данными [16] не превышала 2%.

При расчете двухступенчатого теплового насоса с промежуточным сосудом и двухступенчатым дросселированием расходы хладагента в контурах низкого GL и высокого давления GH определяются из энергетического баланса для промежуточного сосуда в адиабатных условиях:

где h4, h8 и h9 — удельные энтальпии [кДж/кг] в рабочих точках процесса 4, 8 и 9 (см. рис.1).

Откуда вытекает отношение расхода хладагента в контуре высокого давления GH к расходу в контуре низкого давления GL

где δ – доля пара из промежуточного сосуда по отношению к пару из 1-ой ступени компрессора, тогда 1+ δ – расход пара во 2-ой ступени компрессора. Получаем δ = 0.954.

Энтальпия пара в точке 3, поступающего во 2-ую ступень компрессора высокого давления, определяется из уравнения смешения пара, выходящего из промежуточного сосуда (точка 4) и из 1-ой ступени компрессора низкого давления (точка 2) [17]:

В расчетах процессов сжатия в ступенях компрессора при определении удельных энтальпий h2 и h5 изоэнтропный КПД принимался равным 0.75 [11].

Читайте также:  Схема угловой кухни с барной стойкой

Тепловой насос на конденсаторе и охладителе может выдавать тепловую мощность Qконд = 17000 кВт и нагревать воду с tгв1 = 58 ºС до tгв2 = 88 ºС. Расход хладагента в верхнем контуре равен:

Расход хладагента в нижнем контуре:

Потребление механической энергии на привод 1-ой, 2-ой ступени и компрессора в целом равно:

Электромеханический КПД электродвигателя на валу компрессора принимается равным ηэм = 0.98. Потребление электрической энергии на привод компрессора равно:

Коэффициент трансформации тепла определяется по формуле:

При подаче в испаритель охлаждаемой воды в летний период вместо сточных вод, тепловой насос помимо тепла может производить холод для систем кондиционирования, при этом его холодопроизводительность будет равна:

На основе результатов расчета построены диаграммы тепловых процессов (давление P – энтальпия H) и (температура T – энтропия S) и представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. PH-диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого
теплового насоса на хладагенте R-134a на сточных водах

Рис. 3. TS-диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого
теплового насоса на хладагенте R-134a на сточных водах

Коэффициент трансформации тепла μ = 2.4 получился недостаточно большим, однако нужно учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе

недоступный для большинства других типов тепловых насосов [6].

Результаты расчета теплового насоса на обратной сетевой воде

В статье [18] рассматривается возможность применение тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды в непосредственной близости от потребителей (на ЦТП, пиковой котельной и т.д.), которая возвращается на ТЭЦ из системы централизованного теплоснабжения [2].

Одним из важных достоинств такой тепловой схемы является снижение температуры обратной воды, что позволит повысить комбинированную выработку электроэнергии на ТЭЦ на тепловом потреблении. Это тем более актуально в связи с тем, что температура обратной сетевой воды постоянно завышается, чему много разных причин, и не только технических. В двух таких разных городах, как Краснодар на юге и Красноярск на северо-востоке, было отмечено превышение температура воды в обратной линии систем теплоснабжения в зимний период над нормативной по тепловому графику на 5-8 ºС.

Для сравнения был проведен расчет рассмотренного выше теплового насоса на тепле обратной сетевой воды. Было принято, что температура хладагента в конденсаторе равна тем же 90.1 ºС, а в испарителе 40 ºС. Часть сетевой воды, поступающая из обратного трубопровода системы теплоснабжения, направляется в испаритель, где охлаждается с 58 до 46 ºС и затем возвращается на ТЭЦ. Вода из обратной линии внутреннего контура системы отопления локального потребителя, направляется в конденсатор теплового насоса и нагревается с 58 до 88 ºС для возврата потребителю.

На рис. 4 представлена PH-диаграмма тепловых процессов, происходящих при работе теплового насоса на обратной сетевой воде.

Рис. 2. PH-диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого
теплового насоса на хладагенте R-134a на обратной сетевой воде

При тепловой мощности конденсатора Qконд = 17000 кВт потребление электрической энергии на привод компрессора составит Nэ = 4050 кВт, а коэффициент трансформации тепла – μ = 4.20.

При определении мест для установки и наиболее эффективной работы тепловых насосов в системе централизованного теплоснабжения необходимо определить приоритетную шкалу их энергетической и экономической эффективности. Для определения такой шкалы наиболее интересной представляется работа [19], согласно которой тепловые насосы должны в первую очередь замещать электрические котлы и водогрейные котлы на органическом топливе и не снижать комбинированную выработку электроэнергии ТЭЦ на тепловом потреблении.

Проблемы разработки и применения тепловых насосов большой мощности

Более 30 лет в нашей стране обсуждается вопрос о целесообразности производства крупных тепловых насосов [5,7,8,20]. Тепловые насосы НТ-8500 и НТ-11500, созданные в 1987 – 1992 годах Казанским заводом компрессорного машиностроения на основе разработок ВНИИхолодмаша [7], не нашли широкого применения по ряду экономических, экологических и технических причин.

Для создания современных тепловых насосов большой мощности необходимо несколько сопутствующих факторов: государственная программа целевого финансирования; законодательство, стимулирующее применение энергосберегающего и экологически чистого оборудования; уровень цен на энергетические ресурсы, вынуждающий потребителей внедрять энергосберегающую технику.

Другим вариантом (не альтернативным) является закупка зарубежного теплового насоса большой мощности для демонстрационного проекта теплоснабжения (например, в Москве, Санкт-Петербурге, Красноярске или Сочи).

В условиях относительно низких цен на природный газ эффективным может стать проект создания теплового насоса с газотурбинным приводом [7,8] и утилизацией тепла в котле-утилизаторе.

Сложность регулирования тепловых нагрузок в течение суток и сезона предъявляет повышенные требования к системам управления тепловым насосом. Современные тепловые насосы позволяют регулировать тепловую нагрузку в диапазоне 10 – 100% благодаря изменению положения регулирующих аппаратов перед ступенями компрессора.

Также могут быть разработаны различные высокоэффективные тепловые схемы теплоснабжения с тепловыми насосами [2,4,6,9,12,18,19] с учетом конкретных условий региона. В отопительный период тепловому насосу выгодно покрывать базовую часть тепловой нагрузки, а кратковременную пиковую нагрузку оставлять электрическому или водогрейному котлу на газе. Эффективность теплового насоса возрастет, если в летний период он будет покрывать одновременно холодильную нагрузку (например, для кондиционирования) и тепловую нагрузку для горячего водоснабжения.

Проблема разработки хладагентов для тепловых насосов, не влияющих на глобальное потепление и озоновый слой

R-134a является хладагентом третьего поколения не влияющим на озоновый слой (ODP = 0), но воздействующим на парниковый эффект с потенциалом глобального потепления GWP = 1340 по сравнению с СО2.

В настоящее время идут разработки хладагентов 4-го поколения с GWP th International Symposium on District Heating and Cooling. 3-5 September 2006, Hanover, Germany. – 8 p.

10. Zogg M. History of Heat Pumps. Swiss Contributions and International Milestones. -Oberburg: Process and Energy Engineering CH-3414, Switzerland. 2008. – 114 p.

11. Gabrielii C., Vamling L. Drop-in replacement of R22 in heat pumps used for district heating – influence of equipment and property limitations // International Journal of Refrigeration. – 2001. — Vol. 24. — P. 660-675.

12. Unitop 50FY Type Heat Pump from Friotherm is Upgrading Untreated Sewage of 9.6°C to Heating Energy of 90°C in Oslo. Friotherm, 2003. www.friotherm.com/downloads/ skoyen_e11.pdf.

13. Дмитриев А.Н., Монастырев П.В., Сборщиков С.Б. Энергосбережение в реконструируемых зданиях. М.: Издательство АСВ, 2008. – 208 с.

14. Брусиловский А.И. Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа. — М.: Грааль, 2002. — 575 с.

15. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2-х ч. Ч. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 304 с.

16. Thermodynamic Proprties of HFC-134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane) // DuPont Suva refrigerants. Technical Information T-134a-SI. – 2004. – 30 P.

17. Холодильные компрессоры. Справочник / Бежанишвили Э.М., Быков А.В., Гуревич Е.С. и др. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 280 с.

18. Николаев Ю.Е., Бакшеев А.Ю. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ // Промышленная энергетика. — 2007. — N 9. — С.14-17.

19. Богданов А.Б. Применение тепловых насосов в «большой» энергетике // X всероссийская научно-практическая конференция «Эффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск. 25-26 ноября 2009 года.

20. Быков А.В., Калнинь И.М., Цирлин Б.Л. Перспективы создания крупных турбокомпрессорных машин для теплонасосных установок // Теплоэнергетика. — 1978. — N 4. — С. 25-28.

21. Calm J.M. The next generation of refrigerants – Historical review, consideration, and outlook // International Journal of Refrigeration. – 2008. — Vol. 31. — P. 1123-1133.

22. Directive 2006/40/EC of The European Parliament and of the Council of 17 May 2006 relating to emissions from air-conditioning systems in motor vehicles and amending Council Directive 70/156/EC, 2006. Offcial Journal of the European Union. http://tinyurl.com/lxw8nm.

Султангузин И.А., Потапова А.А., Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №10 (122), октябрь 2010 г, www.ntsn.ru

    Тема: Нетрадиционные и новые источники тепловой энергии

  • скачать архив.zip (133 кБт)
  • скачать pdf (259 кБт)
  • Распечатать статью
  • Обсудить статью в форуме Tеги: тепловой насос, Эффективные технологии в энергетике
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ТурбоЗайм
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector