Тепловые насосы. Применение для целей энергосбережения

Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в  компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.

Режим работы теплонаносной  машины определяется режимом работы отопительной системы. При повышении  наружных температур отопительного  сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток  рабочего тела после компрессора  КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д1.

При более низких температурах наружного воздуха  включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Для круглогодичного  кондиционирования в южных районах (отопление зимой, кондиционирование  воздуха летом) распространение  получают мелкие теплонаносные автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки очень компактны и используют наружный воздух в качестве источника низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию.

4. Пример использования теплонаносной системы для горячего водоснабжения жилого дома

В Москве, в микрорайоне  Никулино-2 фактически впервые была построена теплонаносная система  горячего водоснабжения многоэтажного  жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Табунщикова Ю. А.

В качестве низкопотенциального  источника тепловой энергии для  испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев  Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

- парокомпрессионные  теплонаносные установки (ТНУ);  
- баки-аккумуляторы горячей воды;  
- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;  
- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным  элементом системы сбора низкопотенциального  тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального  типа, расположенные снаружи по периметру  здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.

Система сбора  низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает  устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонаносных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.

Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.

Поскольку режим  работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление  горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

5. Компрессор - элемент теплового насоса

Компрессоры паровых  холодильных машин входят в состав герметически закрытой системы и  предназначены для отсасывания  холодного агента из испарителя в целях поддержания в последнем давления Ро, сжатия пара и выталкивания его в конденсатор при давлении Рк, необходимом для сжатия.

Производительность  компрессора характеризуется холодопроизводительностью  машины и зависит от конструкции, режима работы холодильной машины и холодильного агента, на котором она работает.

6. Область применения различных насосов, нагнетателей и компрессоров

Нагнетатели различных  типов находят широкое применение в системах вентиляции и кондиционирования  воздуха гражданских, общественных и промышленных зданий, в системах тепло-, газо и водоснабжения, в различных теплоэнергетических установках, в химической, добывающей, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства.

Наибольшее  применение получили радиальные (центробежные) нагнетатели со спиральным кожухом общего и специального назначения. Используемые в качестве насосов, они создают напор 3500 м и более и имеют подачу 100 000 м3/ч в одном агрегате; при использовании в качестве вентиляторов их подача достигает 1 000 000 м3/ч в одном агрегате.

Центробежные  насосы в системах теплоснабжения применяют  для подачи сетевой воды. В теплоэнергетических  установках центробежные насосы применяют  для питания котлоагрегатов, а  также для подачи конденсата в  системе регенеративного подогрева питательной воды и циркуляционной воды в конденсаторы турбин. Их используют также в системах гидрозолоудаления. Центробежные насосы применяют для подачи различных растворов и реагентов в технологических системах производств; в строительной и угольной промышленности - при гидромеханизации разработки грунтов и при гидравлическом способе добычи угля; в торфяной промышленности - для разработки залежей торфа и подачи смеси торфа с водой.

Осевые нагнетатели  широко применяются как в качестве вентиляторов, так и в качестве насосов. В последние годы в связи с увеличением мощностей паровых турбин циркуляционная вода в конденсаторы турбин подается быстроходными осевыми насосами.

Вихревые насосы обычно применяют при необходимости  создания большого напора или малой подачи. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах (мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного газа.

Поршневые насосы применяют для питания паровых котлоагрегатов малой паропроизводительности и в качестве дозаторов реагентов для поддерживания требуемого качества питательной и котловой воды крупных котлоагрегатов. На тепловых электростанциях поршневые компрессоры служат для обдува поверхностей нагрева котельных агрегатов с целью их очистки от летучих золы и сажи, а также для снабжения воздухом пневматического инструмента и прессов.

Роторные нагнетатели  применяют на электростанциях в  системах смазки и регулирования  турбин (шестеренные насосы), часто используют в качестве компрессоров.

Струйные нагнетатели  получили широкое применение во многих отраслях народного хозяйства: в  промышленной теплоэнергетике; в теплофикационных установках - в качестве элеваторов на вводах теплосети в здание; в системах вентиляции цехов химических предприятий, взрыво, пожароопасных помещений - в качестве эжекторов в вытяжных установках; в холодильных установках и для питания паровых котлов в передвижных паросиловых установках - в качестве инжекторов; в установках пневмо и гидротранспорта, водоснабжения и др. Струйные насосы используют для удаления воздуха из конденсаторов паровых турбин и в абонентских теплофикационных вводах в качестве смесителей прямой и обратной воды.

Центробежные  компрессоры являются основным видом компрессорных машин в химическом и металлургическом производствах. Эти машины получают распространение в системах магистрального газоснабжения.

Компрессоры используются практически во всех отраслях народного  хозяйства. Сжатый воздух как энергоноситель применяется в различных пневматических устройствах на машиностроительных и металлообрабатывающих заводах, в горно-добывающей и нефтяной промышленности, при производстве строительных и ремонтных работ. Компрессоры необходимы в газовой промышленности при добыче, транспортировке и использовании природных и искусственных газов.

В химической промышленности газовые многоступенчатые компрессоры  используются в циклах синтеза химических продуктов при высоком давлении. В последнее время сжатый воздух, получаемый от поршневых компрессоров, находит применение в текстильной промышленности как энергоноситель для проведения ткацкого процесса.

В установках умеренного и глубокого холода, а также  в газотурбинных установках компрессоры  являются органической частью, в значительной степени, определяющей экономичность агрегатов.

7. Роль и место тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов Российской Федерации

В сложившихся условиях функционирования системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) в городах РФ существуют большие возможности повторного вовлечения огромного потенциала низкопотенциальной теплоты (НПТ) тепловых потоков и выбросов на энергообъектах СЦТ в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) городского энергохозяйства, и в первую очередь, за счет внедрения энергосберегающей теплонаносной технологии.

До последнего времени работы по освоению теплонаносной технологии велись скорее разрозненными, чем объединенными усилиями. В ряде городов РФ сооружены теплонаносные установки (ТНУ), которые на данном этапе больше выполняют демонстрационные функции. В числе таких городов следует назвать Нижний Новгород, Новосибирск, Саратов, Москву, Санкт-Петербург и др. Повышенный интерес к освоению теплонаносной технологии в СЦТ, как в прочем и децентрализованном секторе, особенно проявился в последние 5-6 лет. Это обусловлено возрастающим напряжением в топливообеспечении, но главным образом, из-за непрерывного удорожания первичных энергоресурсов, и как следствие этого роста цен на энергоносители.

Накопленный опыт внедрения ТНУ в этих городах показывает на существование практически повсюду одних и тех же трудностей, сдерживающих их внедрение в СЦТ. Основными из них являются отсутствие нормативно-правовых документов, регламентирующих взаимодействие структур городского энергохозяйства, финансовых структур (коммерческих банков, инвестиционных фондов и т.п.) и энергопроизводителей в вопросах взаиморасчетов за произведенную теплоту с помощью ТНУ и финансирования данной технологии. Различие и наличие межведомственных интересов сдерживает не только разработку подобных документов, но и эксплуатацию уже смонтированных ТНУ.

Однако теплонаносная технология неизбежно со временем будет востребована по целому ряду причин. Рассмотрим их более подробно с позиции целесообразности и эффективности внедрения ТНУ в СЦТ городов РФ. Вначале отметим, что в настоящее время только на ТЭС РАО «ЕЭС России» системой охлаждения технической воды (СОТВ) сбрасывается в окружающую среду не менее 140-150 млн Гкал, что эквивалентно 24-26 млн т у.т. непроизводительного расхода топлива. Естественно, что в разных регионах РФ существуют различия в объемах сброса НПТ, например, из-за применения открытой схемы водоразбора, но это только указывает на необходимость регионального подхода в изучении возможностей применения теплонаносной технологии, конечно же, с учетом особенностей СЦТ в каждом регионе. Однако, надо признать, что такое положение является неизбежным при существующей классической системе теплоснабжения (в связи с отсутствием до последнего времени эффективных технологий утилизации НПТ). Освоение теплонаносной технологии позволяет изменить сложившееся представление о невозможности полезно вовлекать в ТЭБ бросовую теплоту.

На самом деле СЦТ в крупных городах РФ обладает уникальными возможностями по эффективному вовлечению НПТ в ТЭБ города и с относительно незначительными капитальными затратами в сравнении с таковыми в зарубежных странах, где СЦТ не получила такого развития, как в РФ.

Итак, какие это преимущества от применения ТНУ в условиях СЦТ, рассмотрим ниже. Практически повсюду в целях обеспечения надежности и экономичности теплоснабжения между тепло-магистралями тепловых сетей ТЭЦ и РК предусмотрены перемычки, которые позволяют, например, летом отключать РК, а подачу теплоты в виде горячей воды производить от ТЭЦ. Это позволяло до недавнего времени увеличивать долю комбинированный выработки тепловой и электрической энергии в неотопительный сезон. Однако в последние несколько лет в связи с переходом на рыночные отношения и в условиях неплатежей этот принцип работы в СЦТ нарушен. Причиной такого положения явилось различие тарифов на теплоэнергию, производимую на ТЭЦ и РК. Парадокс состоял в том, что городские службы Теплоэнерго реализовали теплоту по завышенному тарифу (установленному для предприятий Теплоэнерго), это и привело к раздельному производству и реализации теплоты на ТЭЦ и РК, в частности, такое положение наблюдается в системе теплоснабжения г. Москвы.