Контрольные вопросы

1. Какие существуют низкопотенциальные источники тепла?

2. Какова температура низкопотенциальных источников тепла?

3. Какую температуру теплоносителя обеспечивают тепловые насосы?

5. Вторичные энергетические ресурсы (вэр).

Основными источниками теплоты для крупных ТНУ следует считать искусственные источники - тепловые отходы технологических производств, коммунальных, бытовых, жилых и других объектов или вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).

По виду ВЭР разделяются на три основные группы:

1. горячие топливные отходящие газы печей;

отходы, непригодные для дальнейшей технологической переработки;

2. тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов;

физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства;

теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических силовых установках;

3. ВЭР избыточного давления, потенциальная энергия газов и жидкостей, потенциал которой необходимо снижать, перед последующей ступенью использования жидкостей, газов или выброса их в атмосферу.

Экономия топлива путем использования ВЭР в последние годы актуальная проблема. Источники теплоты ВЭР можно использовать в аммиачных преобразователях теплоты (АПТ) и в теплонасосных установках.

Промышленные потребители используют в настоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70% всей вырабатываемой электроэнергии /39/. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах остается все еще невысоким и составляет лишь 35 - 40%. Достигнутая фактическая экономия топлива за счет теплоты ВЭР по отношению к возможной составляет 30 - 32%. Так в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности - 40%, в черной металлургии - 40%, в химической - 25%.

Эффективное направление утилизации теплоты ВЭР являлось производство холода для предприятий, технологические процессы которых требовали его при различных температурах охлаждения.

Промышленные предприятия потребляют огромное количество воды для охлаждения машин и рабочих тел в различных технологических процессах. Оборотня и повторно используемая в промышленности вода имеет круглый год температуру 20 - 40 ⁰С, практически не позволяющая использовать теплоту непосредственно, и охлаждается в градирнях или других испарительных охладителях, отдавая в атмосферу вместе с теплотой часть воды. При замене градирен испарителями ТНУ степень охлаждения воды, перепада температуры, при сохранении ее расхода должна оставаться в среднем около 10 ⁰С.

Например, тепловые электростанции, в том числе и АЭС, сбрасывают с охлаждающей водой 50 - 55% энергии топлива. Иногда решающим фактором в выборе площадки для строительства ТЭС (АЭС) оказывается наличие естественных водоемов, способных без особого ущерба воспринять бросовую теплоту.

Концентрацию тепловых потоков в системах оборотного водоснабжения можно оценить на примере одного из крупнейших автомобильных заводов. Общий объем оборотной воды составляет около 75 тыс. м^З/ч, организован в водоблоках по 10 - 12 тыс. м³/ч. Вода поступает на охлаждение с температурой 30 - 40 ⁰С круглогодично и охлаждается до 15 - 20 ⁰С. В целом по заводу в атмосферу сбрасывается 1300 МВт теплоты.

В последние годы отпуск теплоты на ТЭС РАО "ЕЭС России" составлял 600 - 650 млн. Гкал, а на районных котельных - около 50 млн Гкал в год. Выброс низкопотенциальной теплоты в системах охлаждения технической воды составлял 140 - 150 млн. Гкал, что эквивалентно 24 - 26 млн. т условного топлива. В системе АО "Мосэнерго" выбросы в системах охлаждения технической воды на ТЭЦ Москвы составляют 45 - 50 млн. Гкал в год, что равносильно потере 7,2 - 8 млн. т условного топлива в год.

Технически возможна утилизация до 45 % низкопотенциальной теплоты около 10 % от количества отпускаемой теплоты. В системе РАО "ЕЭС России" это эквивалентно замещению 10⁶ млн. т условного топлива. При этом может быть достигнуто замещение органического топлива в больших объемах, чем при децентрализованном теплоснабжении.

Следует отметить, что большинство предприятий химической, нефтехимической и других отраслей промышленности являются хладоемкими производствами и одновременно характеризуются наличием достаточно большого количества неиспользуемых ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т.п. В рациональном и эффективном использовании ВЭР, нельзя забывать о том, что наряду с получением холода могут быть осуществлены также процессы трансформации теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий и наоборот.

Большинство потребителей теплоты используют так называемую высокотемпературную теплоту. Температура теплоносителя в расчетный период составляет обычно не менее 95 ⁰С.

По сравнению с широко известными воздушными теплообменниками-утилизаторами теплонасосные установки позволяют обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную утилизацию тепла выходящего из здания воздуха, т.к. утилизация тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой температурой. Отсюда наиболее часто применяемыми схемами ТН являются схемы “вода-воздух” и “воздух-воздух”.

По таким схемам ТН выпускают фирмы: “Carrier”, “Lennox”, “Вестингауз”, “Дженерал Электрик” (США), “Hitachi”, “Daikin” (Япония), “Sulzer” (Швейцария), “4КД” (Чехословакия), “Klimatechnik” (Германия).

В странах с более суровыми климатическими условиями целесообразно применять ТНУ двойного назначения, в которых в отопительный период теплоснабжение зданий осуществляется преимущественно от теплового насоса, 80 - 90% годового теплопотребления, а пиковые нагрузки, при низких температурах, покрываются электрокотлами или котлами на органическом топливе.

Потери энергии с охлаждающей водой и уходящими газами. Коэффициент полезного действия энергетических установок, сжигающих органическое топливо, составляет 40 - 50 %, остальное количество энергии топлива поступает в окружающую среду в виде потерь с уходящими газами и охлаждающей водой.

Суммарная мощность всех электростанций мира составила более 1,5 млрд. кВт. Таким образом, мощность тепловых потерь электростанций составляет до 0,7 млрд. кВт. Температура охлаждающей конденсаторы воды на выходе составляет 8 - 25 ⁰С. Использовать этот мощный низкопотенциальный источник можно только с помощью теплонасосных установок.

Промышленные выбросы тепловой энергии также значительны. Только промышленностью США сбрасывается ежегодно до 10¹⁹ Дж теплоты /38/ с температурой до 100 ⁰С, рис. 5.1. Они являются потенциальными источниками теплоты для промышленных тепловых насосов с хладагентами в качестве рабочего тела.

Рис.5.1. Распределение потоков сбросной

теплоты по температурам (США)

Вентиляционные выбросы. Вентиляционные выбросы имеют температуру от 20 до 80 - 100 ⁰С, в зависимости от вида вентилируемых объектов.

Некоторые вентиляционные выбросы бывают довольно загрязнены промышленными производствами. Однако, можно считать условно чистыми выбросы бытовой вентиляции с температурой 20 - 25 ⁰С.

Сточные воды промышленных предприятий и ЖКХ. Количество сточных вод с температурой 20 - 25 ⁰С составляет 75 - 90 % количества питьевой воды подаваемой на водоснабжение населенных пунктов. С помощью ТНУ можно понизить температуру этого источника до 10 ⁰С и получить соответствующее полезное количество теплоты.

Если ориентировочно принять, что в стране объем оборотного водоснабжения охлаждению подвергается только 75% воды, т.е. примерно 120 м^З/год и температурный перепад составляет 10 ⁰С, то организованный сброс низкопотенциальной теплоты промышленностью составит более 5 млрд. ГДж/год.

При современных требованиях к защите окружающей среды и промышленные, и коммунально-бытовые стоки перед сбросом в водоемы должны проходить сложную систему очистки на водоочистных сооружениях или в крупных городах на станциях аэрации. В Москве, например, несколько станций аэрации сбрасывают в Москву - реку более 5 млн м^З/сут. очищенной воды температурой 16 - 22 ⁰С; вместе с водой поступает и тепловой поток в 3 - 4 млн кВт. В Санкт-Петербурге, Самаре и других городах действуют станции аэрации.

Многие миллионы кубических метров воды сбрасываются в реки, заливы, водоемы вместе с теплотой, которую можно использовать в ТНУ и преобразовать низкопотенциальную теплоту в теплоту более высокой температуры, способную удовлетворить определенную часть потребностей и сократить расход топлива.

Для условий Англии и большинства стран Европы стоимость теплового насоса с любым источником тепла заметно выше, чем обычной центральной котельной. Чем большую долю покрывает тепловой насос в домашней тепловой нагрузке, тем выше разница в капиталовложениях, поэтому тепловые насосы, как правило, рассчитываются лишь на часть годовой тепловой нагрузки, а оставшуюся часть дает дополнительный нагреватель, чаше всего электрический в США и на органическом топливе в Европе.

Дополнительный нагрев требуется, когда температура окружающего воздуха упадет ниже нуля, при этом тепловые потери здания превосходят тепловую мощность насоса. Для повышения экономической эффективности системы включение дополнительного нагревателя, в данном случае электрического, рекомендуется только тогда, когда тепловой насос не может покрыть полную нагрузку.

Для решения вопроса о целесообразности применения теплового насоса необходимо принять во внимание:

- совпадение по времени выхода сбросных тепловых потоков и потребления теплоты;

- место выхода сбросных тепловых потоков и место потреблению теплоты;

- фазу носителей сбросной теплоты (твердая, жидкая, газообразная);

- расход сбросных потоков и потребной теплоты;

- потенциал сбросной и потребной теплоты.