9.5. Використання низькопотенційних ВЕР на основі ТНУ

Технічний комітет МІРЕК на підставі аналізу наукових досліджень і досвіду експлуатації термотрансформа-торів указує на економічну й екологічну доцільність викорис­тання енергії довкілля і низькотемпературної теплоти (20—60 °С) у парокомпресійних теплонасосних установках, а низько- та се-редньопотенційного тепла на рівні 80—250 °С — в абсорбційних перетворювачах теплоти.

Енергетичного ефекту від упровадження ТНУ можна досяг­ти за рахунок як проґресивнішого способу одержання теплоти з мінімальними втратами енергії, так і абсолютної економії дефіцитного органічного палива, залучаючи величезні кіль­кості скидної теплоти до енергетичного балансу. Масове впро­вадження ТНУ дасть змогу скоротити об'єм перевезень палива, що за умови загострення транспортної проблеми має неабияке самостійне значення.

Сприятливими передумовами для розвитку теплових насо­сів є такі:

тенденції до зменшення відношення вартостей електроенер­гії й палива;

наявність потужних низькотемпературних теплових скидів у промисловості;

збільшення споживання природного газу, що стимулюює розвиток великих ТНУ з газотурбінним приводом;

доконечність захисту довкілля від зрослої кількості шкідли­вих викидів;

накопичений світовий досвід експлуатації та проектування ТНУ теплопродуктивністю від одиниць кіловат до десятків мегават.

Наостанку розгляньмо деякі шляхи використання ТНУ для утилізації низькопотенційної теплоти ВЕР.

Як відомо, в тепловому балансі багатьох ТЕУ, зокрема пароге­нераторів, значну кількість утратноі теплоти (до 10%), становить

теплота низькотемпературних вихідних газів. Її використання в традиційних теплообмінниках виявляється неекономічним унаслідок знижених температурних натисків і малих коефіцієн­тів тепловіддачі з боку газу.

Помітні переваги має використання як утилізаторів абсорбцій­них теплонасосних установок, які дають змогу, в одному випадку, одержати вищу температуру робочого аґента, в іншому, за наявнос­ті споживача — перетворити низькопотенційну теплоту на холод. Можливі й розщеплювальні схеми, коли одночасно однією гілкою виробляється високопотенційна теплота, а іншою — холод.

Абсорбційні теплонасосні установки характеризуються ви­сокою надійністю, широким діапазоном зміни навантаження, незначним споживанням електроенергії. Вони можуть застосо­вуватися як індивідуально, так і в комбінації з теплоутилізатора-ми, зокрема з передувімкненими скруберами під час утилізації запилених і сірчистих газів.

У процесі роботи на чистих газах подальше використання теплоти газів можливе також у парокомпресійних теплонасос-них установках, де гази є джерелом низькопотенційної теплоти для випарника. Температура зворотної води в конденсаторі ТНУ досягає при цьому 70-80 °С, що відповідає рівню температур системи теплопостачання автономних споживачів. При цьому можливе підвищення енергетичної ефективності енергоуста­новок, наприклад, електростанцій не менше ніж на 10 % під час використання відпрацьованої або добірної водяної пари парових турбін як джерела енергії випарників.

Зарубіжний досвід свідчить, що застосування опалюваль­них систем із тепловими насосами — один з перспективних і досить ефективних способів енергозбереження. Проте в умовах тривалого розвитку вітчизняних систем централізованого те­плопостачання їхнє переналаштування на низькотемпературне опалення, характерне для ТНУ, є складною справою. Водночас великим споживачам енергії система ТНУ + ТЕЦ дасть змогу збільшити вироблення електроенергії на тепловому спожи­ванні, одержати в конденсаторах ТНУ теплоту для додаткових споживачів, знизити температуру зворотної води і тим самим зменшити теплові втрати під час транзиту мережевої води.

Теплові скиди ТЕЦ і промислових підприємств, що цілий рік мають температуру 20—40 °С, практично не можуть вико­ристовуватися безпосередньо й охолоджуються в градирнях або інших випарних охолоджувачах, віддаючи в атмосферу частину води разом з теплотою. Технічно можливою є заміна градирень випарниками ТНУ, при цьому ступінь охолодження води за збе­реження її витрати також у середньому буде близько 10 °С.

Така заміна вигідна енергетично з погляду економії капітальних і трудових витрат, а також завдяки тому, що система водопостачан­ня стає замкнутою й різко скорочуються втрати води, що випарову­ється в градирнях. У процесі охолодження води не в градирні, а за допомогою холоду, виробленого ТНУ, економічний ефект суттєво зростає в разі, коли температура охолоджуваної води наближається до нижньої температурної межі можливостей градирень.

Найбільшого енергетичного й економічного виграшу від за­стосування ТНУ можна досягти у виробництві, де технологічний процес не обходиться без комплексних систем тепло- і холодопо-стачання. Такі системи мають місце на підприємствах хімічної, нафтопереробної та інших галузей промисловості, в сільському господарстві, житлово-побутовому секторі. Парокомпресійні чи абсорбційні теплові насоси можуть одночасно виконувати функ­ції теплопостачання й охолодження води, що подається в техно­логічні апарати.

За попередніми оцінками, застосування ТНУ дасть змогу майже вдвічі знизити витрату палива на потреби теплопостачан­ня, поліпшити експлуатаційні показники енергосистем за раху­нок роботи ТНУ з акумуляцією теплоти в "провальні" години графіка електричного навантаження; зменшити теплове забруд­нення довкілля. Завдяки високій маневреності ТНУ вони можуть бути успішно використані як споживачі-реґулятори електрично­го навантаження, що вирівнюють добову нерівномірність наван­таження цих графіків. Окрім того, за скорочення питомої витрати палива з'являється можливість і далі експлуатувати морально за­старілі ТЕС.

Зупинімося докладніше на деяких напрямах енергозбере­ження на основі використання теплових насосів для утилізації ВЕР [41, 68, 69].

Застосування теплових насосів для енергозбереження. У про­мисловості й у житлово-комунальному господарстві як джерело теплоти для роботи теплових насосів можуть бути використані такі види теплових ВЕР:

теплота охолоджувальної води парових турбін теплових й атомних електростанцій, промислових печей, компресор­них установок, апаратів хімічної технології. Часто ця вода використовується повторно і прямує на охолоджування до градирень і апаратів повітряного охолодження;

теплота стічних вод різних промислових підприємств і підприємств житлово-комунального господарства (лазні, пральні, басейни);

теплота продуктів згорання в котельних установках і про­мислових печах, а також у печах для спалювання твердих і рідких відходів;

теплота продуктів згорання в газотурбінних установках і дизельних двигунах:

теплота водяної пари низького тиску, що викидається в ат­мосферу (випар);

теплота відпрацьованого сушильного аґента в сушильних установках;

теплота гарячих розчинів у випарних і ректифікаційних установках;

теплота мастила, використовуваного в турбінах електро­станцій і в електричних трансформаторах;

теплота повітря, що йде від систем вентиляції та конди­ціювання повітря житлових, громадських і промислових будівель;

теплота витяжного повітря станцій метрополітену та повітря каналів метро.

Низькопотенційну теплоту ВЕР можна використовувати безпосередньо за допомогою теплообмінних апаратів, напри­клад, для підігрівання вентиляційного припливного повітря, попереднього підігріву повітря, що направляється в топкові пристрої, для підігрівання сушильного аґента в установках для сушіння матеріалів тощо, проте далеко не завжди це здійснене на практиці.

Теплота підвищеного потенціалу, одержувана в теплових насосах, має ширші сфери використання. Окрім зазначених галузей споживання вона може використовуватися також на опалення, гаряче водопостачання, підігрівання технологічних газів і рідин в апаратах хімічної технології, випарних, перегін­них і ректифікаційних установках, у процесах варення, під час рекомпресії пара.

Найбільш доцільно застосовувати ТН, якщо є:

стабільне в часі джерело теплоти з температурою 10.. .50 °С;

споживач теплоти з температурою 60...120 °С; у багатьох випадках саме відсутність споживача теплоти утрудняє за­стосування теплових насосів;

джерело недорогої електричної енергії при дефіциті тепла;

невелика різниця між температурами джерела і споживача, в цьому випадку тепловий насос має значний коефіцієнт перетворення;

джерело теплоти — гаряча вода, водяна пара, що конденсу­ється, або парогазова суміш (ці теплоносії, на відміну від по­вітря, мають високий коефіцієнт тепловіддачі, що забезпечує малі габарити випарника теплового насоса);

потреба одночасно виробити теплоту і холод; наприклад, охолодження молочних продуктів та опалення цеху;

змога влітку використувати тепловий насос у системі конди­ціювання, а в зимовий час — у системі опалення. Розгляньмо деякі схеми, в яких можуть бути використані

теплові насоси [68]:

Використання теплового насоса для охолодження зворотної води, що охолоджує конденсатор парової турбіни теплової електростанції (рис 9.6.).


Як уже наголошувалося, для охолодження зворотної води зазвичай застосовують градирні. У цьому випадку температура води, що надходить із конденсатора до випарника теплового на­соса, може становити залежно від сезону 20.35 °С, а це дає змогу одержувати високий коефіцієнт перетворення і короткий термін окупності. Застосування теплового насоса дає змогу скоротити витрати води, що надходить для підживлення системи водо­постачання, поліпшити екологічну обстановку поблизу градирні.

t

Підживлювальна вода

вода в систему водопостачання

витяжне 4
^повітря і

1

Припливне повітря

Рис.9.7. Застосування теплового насоса для підігрівання припливного повітря в системі вентиляції: 1,2 — вентилятори; 3 — підігрівач повітря; 4 — тепловий насос; 5 — промислова будівля

Рис.9.6. Застосування теплового насоса для утилізації тепла зворотної води теплової електростанції

Зниження температури води, що потрапляє в конденсатор за раху­нок глибшого її охолодження, сприяє збільшенню ККД станції. — Використання теплового насоса для утилізації тепла венти­ляційних викидів промислового підприємства (рис 9.7.). Наявність шкідливих речовин, пари рідин або твердих час­тинок у вентиляційних викидах унеможливлюють застосуван­ня рециркуляції витяжного повітря. Використання теплового насоса в такій схемі дає змогу відмовитися від традиційного для цих випадків застосування теплообмінників-утилізаторів. Виробленої насосом теплоти звичайно достатньо для підігрі­вання води, що забезпечує роботу калориферів, які нагрівають припливне повітря.

Часто за джерело для роботи теплового насоса правлять стічні води промислового підприємства. Звичайно ці води окрім розчинених або зважених домішок мають ще й високу темпера­туру. Перед зливанням у промислову каналізацію ці води мають бути заздалегідь охолоджені, щоб не зашкодити системі біоло­гічного очищення. Тепловий насос не тільки охолоджує стічні води, а й нагріває теплоносій для системи теплопостачання.

Застосування газотурбінних установок для вироблення елек­троенергії (рис.9.8) дає змогу використовувати теплові насоси як для охолоджування вихідних продуктів згорання (при цьому частину теплоти доцільно використовувати в котлах-утилізаторах або рекуперативних теплообмінниках), так і для зниження температури теплоносія, що забезпечує про­міжне охолодження ступенів компресора.

Проміжне охолодження ступенів компресора збільшує ККД газотурбінної установки та істотно зменшує викид в атмосферу оксидів азоту. Сама газотурбінна установка може прислужитися як джерело електричної або механічної енергії для теплового на­соса. Газотурбінні установки широко застосовуються не тільки для вироблення електроенергії. Частіше їх використовують для перекачування газу магістральними газопроводами, проте за­стосування теплових насосів на газоперекачувальних аґреґатах утруднене, оскільки вони звичайно розташовуються далеко від споживачів теплоти.

Особливо слід розглянути випадки, коли застосування те­плових насосів не виправдано.

Як джерело теплоти для роботи недоцільно застосовувати теплоту палива, спеціально спалюваного для таких цілей, навіть якщо це паливо є надто дешевим. Температура ди­

у систему теплопостачання

продукти згорання в атмосферу

повітря з атмосфери

Рис.9.8. Застосування теплового насоса спільно з газотурбінною установкою: 1,2 — ступені стиснення повітря в компресорі; 3 — проміжний водоповітряний теплообмінник; 4 — теплові насоси; 5 — камера згорання; 6 — газова турбіна;

7 — котел-утилізатор

мових газів достатня для того, аби безпосередньо нагрівати теплоносій у котельній установці. Під час роботи теплового насоса одержана споживачем теплота (без урахування втрат) буде рівна сумі одержаної теплоти від продуктів згорання і роботи, що витрачається на привод компресора. У цьому випадку вона виробляється з ККД набагато нижчим за оди­ницю. Це не означає, що теплота продуктів згорання не може бути використана в теплових насосах, проте нею доцільно послуговуватися в тих випадках, коли основну частину тієї теплоти вже витрачено на безпосередній нагрів теплоносія, і продукти згорання істотно охолоджено.

За джерело теплоти для теплового насоса не слід брати "зворот­ну" воду систем теплопостачання, що віддала теплоту в опа­лювальних приладах; адже вода із системи теплопостачання безпосередньо нагрівається за рахунок первинного палива і споживач теплоти несе подвійні витрати: оплачує вартість па­лива й вартість електричної енергії на привод компресора.

Під час використання повітря як джерела теплоти слід мати на увазі, що існує поріг температури кипіння робочого аґента і відповідної температури зовнішнього повітря, коли робота теплового насоса стає неможливою. Значення цієї температури визначає тип уживаного робочого аґента й тиск у випарнику теплового насоса. Таким чином, за низьких температур повітря робота таких теплових насосів стає спо­чатку неекономічною (унаслідок зменшення коефіцієнта перетворення), а потім фізично неможливою. Достоїнства теплових насосів широко відомі: це змога іс­тотно економити паливо, екологічна чистота (під час роботи теплових насосів не спалюється паливо), можливість працю­вати як у централізованих, так і в нецентралізованих системах теплопостачання та ін. Про недоліки теплових насосів згадують рідше, тому завважимо основні з них.

Джерела вторинних енергоресурсів не завжди стабільні в часі; їх теплопродуктивність не завжди достатня для того, щоб забезпечити теплотою споживача в холодний період року. Тому для надійної роботи систем теплопостачання по­трібен не лише насос, а й додаткове джерело теплоти.

Шум від компресорів теплових насосів утрудняє їх застосу­вання в житлових і громадських будівлях, особливо у випад­ках, коли застосовують теплові насоси великої потужності.

Фреони, використовувані як робоче тіло, є досить коштов­ними. Під час розгерметизації контура теплового насоса та проведення ремонтних робіт їх доводиться міняти, і спожи­вач зазнає додаткових витрат.

На цей момент вартість теплових насосів висока і термін їх окупності за нинішніх цін на енергоносії може бути трива­лим.

 


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я