Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
рабочего агента один из фреонов или их смесь.
а
б
Принцип действия и основные характеристики тепловых насосов
Тепловые насосы, так же, как и холодильные машины, относят
к трансформаторам тепла. Принципиального различия в работе и в
конструкции между ними не существует. Различаются они лишь по
назначению и температурному уровню получаемой теплоты.
Цель холодильной машины – получение теплоты с темпе-
ратурой ниже уровня температуры окружающей среды, т.е.
производство холода. Холод в парокомпрессионной холодильной
установке получается в виде охлажденного теплоносителя (рассолы,
антифризы, воздух, вода), выходящего из испарителя. Цель теплового
насоса – получение теплоты, которая в случае парокомпрессионного
теплового насоса представляет собой нагретый теплоноситель (вода,
воздух), выходящий из конденсатора.
Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса
может быть проиллюстрирован рисунком, на котором изображены его
схема (рис. 17а) и термодинамический цикл в диаграмме Т-s
(рис. 17б).
Рис. 17. Схема парокомпрессионного теплового насоса (а) и его
цикл (б) в Т-s-диаграмме (температура – энтропия): I – испаритель;
II – компрессор; III – конденсатор; IV – дроссель
Тепловой насос действует за счет подведенной в компрессоре
механической работы. Привод компрессора может осуществляться от
91
электрического или теплового двигателя. В компрессоре (процесс 1-2)
.
12
2
TT
T
N
Q
в
Т
−
==
ε
повышается давление рабочего вещества, находящегося в парообразном
состоянии, от давления P1 до давления P2. Затем в конденсаторе (процесс
2-3) при постоянном давлении происходит конденсация рабочего
вещества. Получаемое при конденсации тепло передается потребителю
при температуре T2, например, нагревая воду, направляемую в систему
отопления. В дросселе происходит расширение рабочего вещества до
давления P1 с его частичным испарением (процесс 3-4). Далее рабочее
вещество полностью превращается в пар при температуре T1 в
испарителе, где отбирается теплота от ее источника, например, от
нагретого вентиляционного воздуха или продуктов сгорания.
Основными характеристиками теплового насоса являются:
коэффициент преобразования (трансформации) тепла, термодинамический КПД, удельная стоимость, т.е. стоимость, отнесенная к
теплопроизводительности теплового насоса.
Коэффициент преобразования тепла представляет собой отно-
шение получаемой тепловой мощности к мощности, затрачиваемой на
привод компрессора. Он выше единицы и существенно зависит от
тем-пературы холодного источника теплоты T1 и температуры
получае-мого горячего теплоносителя T2. В результате работы
теплового насо-са можно получить примерно в 2-8 раз больше
теплоты, чем в случае непосредственного подогрева теплоносителя в
электрокалорифере:
Это обстоятельство кажется нарушением первого закона термодинамики. На самом же деле это не так. В данном случае мы лишь
трансформируем теплоту более низкого потенциала в теплоту более
высокого потенциала, т.е. другого температурного уровня.
Коэффициент преобразования тепла не является коэффициентом
полезного действия теплонасосной установки. Степень превращения
теплоты в работу характеризуется работоспособностью, или
эксергией, потока теплоты и существенно зависит от температурного
уровня потока теплоты, а также от температуры окружающей среды.
Термодинамическое совершенство теплового насоса опреде-
ляется его эксергетическим КПД. Он может быть вычислен
следующим образом:
92
.
N
wQ
в
е
=
η
2
2
Т
TT
w
ос
−
=
а
б
Здесь w – температурная функция, или коэффициент
работоспособности теплоты, определяемая как
.
Как видно, эксергетический КПД теплонасосной установки
всегда меньше единицы. Зависимость холодильного коэффициента и
эксергетического КПД от температур конденсации и испарения
показаны на рис. 18.
Рис. 18. Зависимость холодильного коэффициента (а)
и эксергетического КПД (б) от температур конденсации и испарении
Характеристики теплового насоса во многом зависят от
применяемого рабочего вещества. В этом качестве чаще всего
применяются различные фреоны, такие, как R-22, R134а, R-407С, а
также озонобезопасный фреон R-142В. Характеристики фреонов во
многом определяют коэффициент преобразования тепла и,
следовательно, экономичность теплового насоса.
93
Применение тепловых насосов для энергосбережения
В промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве
(ЖКХ) в качестве источника теплоты для работы тепловых насосов
могут быть использованы следующие виды тепловых вторичных
энергетических ресурсов:
- теплота охлаждающей воды паровых турбин тепловых и
атомных электростанций, промышленных печей, компрессорных
установок, аппаратов химической технологии – часто эта вода
используется повторно и направляется на охлаждение в градирни и
аппараты воздушного охлаждении (АВО);
- теплота сточных вод различных промышленных предприятий
и предприятий ЖКХ (бани, прачечные, бассейны);
- теплота продуктов сгорания в котельных установках и про-
мышленных печах, а также в печах по сжиганию твердых и жидких
отходов;
- теплота продуктов сгорания в газотурбинных установках и
дизельных двигателях;
- теплота водяных паров низкого давления, выбрасываемых в
атмосферу;
- теплота отработанного сушильного агента в сушильных
установках;
- теплота горячих растворов в выпарных и ректификационных
установках;
- теплота масла, используемого в турбинах электростанций и
электрических трансформаторах;
- теплота воздуха, уходящего из систем вентиляции и кондици-
онирования воздуха жилых, общественных и промышленных зданий;
- теплота вытяжного воздуха станций метрополитена и воздуха
каналов метро.
Для работы тепловых насосов могут быть использованы также
следующие природные источники теплоты:
- наружный воздух (при положительных температурах); вода
естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей);
- тепло геотермальных источников;
- теплота грунта, получаемая с помощью специальных труб-
чатых теплообменников;
- подземные воды;
- солнечная энергия.
94
Низкопотенциальную теплоту вторичных энергетических ре-
сурсов можно использовать напрямую с помощью теплообменных
аппаратов, например, аппаратов для подогрева приточного вентиляционного воздуха, предварительного подогрева воздуха, направляемого в топочные устройства, подогрева сушильного агента в
установках для сушки материалов и т.д. Однако далеко не всегда это
осуществимо на практике.
Теплота повышенного потенциала, получаемая в тепловых на-
сосах, имеет более широкие области применения. Кроме указанных
областей потребления, она может использоваться также на отопление,
горячее водоснабжение, подогрев технологических газов и жидкостей
в аппаратах химической технологии, выпарных, перегонных и ректификационных установках, в процессах варки, при декомпрессии пара.
Наиболее целесообразно применять тепловые насосы в
следующих случаях:
- если имеется стабильный во времени источник теплоты с
температурой 10-50 °С; потребитель теплоты с температурой 60-120 °С
(во многих случаях именно отсутствие потребителя теплоты
затрудняет применение тепловых насосов);
- если имеется источник недорогой электрической энергии при
дефиците тепла; разница между температурами источника и потребителя невелика (в этом случае тепловой насос имеет большой
коэффициент преобразования);
- если источник теплоты – горячая вода или конденсирую-
щийся пар, или парогазовая смесь (эти теплоносители, в отличие от
воздуха, имеют высокий коэффициент теплоотдачи, что обеспечивает
малые габариты испарителя теплового насоса);
- если необходима одновременная выработка теплоты и холода;
(например, охлаждение молочных продуктов и отопление цеха);
- если в летнее время тепловой насос можно использовать в
системе кондиционирования, а в зимнее – в системе отопления.
Контрольные вопросы
1. Энергосбережение в сушильных установках.
2. Энергосбережение в выпарных аппаратах.
3. Энергосбережение в ректификационных установках.
4. Тепловые насосы, их назначение и основные типы.
5. Принцип действия и основные характеристики тепловых
насосов.
6. Применение тепловых насосов для энергосбережения.
95
Глава VI. МЕТОДЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОВОЙЭНЕРГИИ
Производство энергии традиционными методами
Преобразование первичной энергии во вторичную, в
частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в
своем названии содержат указание на то, какой вид первичной
энергии в какой вид вторичной энергии на них преобразуется:
- ТЭС (тепловая электрическая станция) преобразует тепловую
энергию в электрическую;
- ГЭС (гидроэлектростанция) преобразует механическую энер-
гию движения воды в электрическую;
- ГАЭС (гидроаккумулирующая станция) преобразует механи-
ческую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;
- АЭС (атомная электростанция) преобразует атомную энер-
гию ядерного топлива в электрическую;
- ПЭС (приливная электростанция) преобразует энергию при-
ливов в электрическую и т.д.
По назначению тепловые электростанции делятся на два типа:
- КЭС (конденсационные тепловые электростанции), предназ-
наченные для выработки только электрической энергии;
- ТЭЦ (теплоэлектроцентрали), на которых осуществляется
совместное производство электрической и тепловой энергии.
В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия,
которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной
пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор Г
превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия
для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо
котла.
На рис. 19, кроме основного оборудования ТЭС, показан
конденсатор пара К, в котором отработанный пар, отдавая скрытое
тепло парообразования охлаждающей его воде, с помощью циркуляционного насоса Н в виде конденсата вновь подается в котелпарогенератор. Схема ТЭЦ отличается тем, что взамен конденсатора
устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении
нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.
96
Рис. 19. Тепловая схема ТЭС
Технология преобразований энергии на ТЭС может быть
представлена в виде цепи следующих превращений:
Рис. 20. Технология преобразований энергии на ТЭС
Отметим некоторые особенности работы ТЭС.
Топливо и окислитель, которым обычно служит воздух, непре-
рывно поступает в топку котла. В качестве топлива чаще всего используются уголь, сланцы, природный газ и мазут (продукт переработки нефти – остаток после отгонки из нефти бензина, керосина и
других легких фракций). Однако использование природного газа и
особенно – мазута – в перспективе должно сокращаться, так как это –
слишком ценные вещества, чтобы их использовать в качестве котельного топлива.
За счет тепла, образующегося в результате сжигания топлива,
в паровом котле вода превращается в пар с температурой около 550
°С. Можно было бы получить пар и с более высокой температурой, но
это не выгодно. КПД ТЭС – это отношение полученной электрической
энергии к тепловой энергии, образовавшейся при сжигании топлива;
97
он растет при повышении начальной температуры пара. Но при этом
для наиболее ответственных деталей установки, испытывающих
большие механические нагрузки в сочетании с высокой температурой,
приходится применять высококачественные, дорогие стали. Выигрыш
в КПД не компенсирует повышенных затрат на металл.
В турбине способ преобразования тепловой энергии пара в
механическую энергию состоит в следующем. Пар высокого давления
и температуры, имеющий большую тепловую энергию, из котла
поступает в сопла турбины. Сопла – это неподвижно укрепленные, не
вращающиеся вместе с валом турбины, сделанные из металла каналы,
в которых температура и давление пара уменьшаются, а значит,
уменьшается и его тепловая энергия, но зато увеличивается скорость
движения потока пара. Таким образом, за счет уменьшения тепловой
энергии пара возрастает его механическая (кинетическая) энергия.
Струя пара с высокой скоростью непрерывно вытекает из сопел и
поступает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на диске, жестко
связанном с валом. Вал, диск и рабочие лопатки вращаются совместно
с большой скоростью (3000 об./мин).
Скорость потока пара на рабочих лопатках, его механическая
энергия уменьшается следующим образом. Канал между рабочими
лопатками криволинеен. Поток пара, протекая по этому каналу,
меняет направление и величину скорости. Благодаря центробежной
силе он оказывает давление на вогнутые поверхности лопаток.
Вследствие этого рабочие лопатки, диск, вал – весь ротор – приходит
во вращение. При этом механическая энергия потока пара
превращается в механическую энергию ротора турбины, а точнее – в
механическую энергию турбогенератора, так как валы турбины и
электрического генератора соединены между собой.
Современные паровые турбины для ТЭС – весьма совершен-
ные, быстроходные, высокоэкономичные машины. Они многоступенчаты, т.е. имеют обычно несколько десятков дисков с рабочими
лопатками и такое же количество перед каждым диском групп сопел,
через которые протекает струя пара. Давление и температура пара
постепенно снижаются. После паровой турбины водяной пар, имея
уже низкое давление – около 0,04 бара и температуру 25-23 °С,
поступает в конденсатор. Здесь пар с помощью охлаждающей воды,
прокачиваемой по расположенным внутри конденсатора трубкам,
превращается в воду, которая с помощью насоса снова подается в
котел. Цикл начинается заново.
98
Количество охлаждающей воды должно быть в несколько
десятков раз больше, чем количество конденсируемого пара. Поэтому
ТЭС строят поблизости от крупных водных источников.
Процесс производства электроэнергии на ТЭС условно можно
paзделить на три цикла:
1) химический – горение, в результате которого внутренняя
химическая энергия топлива превращается в тепловую и передается
пару;
2) механический – тепловая энергия пара превращается в
энергию вращения турбины и ротора турбогенератора;
3) электрический – механическая энергия превращается в
электрическую.
Общий коэффициент полезного действия ТЭС равен произве-
дению коэффициентов полезного действия всех названных циклов:
КПД ТЭС= КПД ХИМ ∙ КПД МЕХ ∙ КПД ЭЛ.
Коэффициенты полезного действия химического и электричес-
кого циклов составляют около 90 %.
Коэффициент полезного действия идеального механического
цикла определяется закономерностями цикла Карно:
,
где Т и Т* – соответственно температура пара на входе и выходе
паровой турбины.
Коэффициент полезного действия идеального механического
цикла примерно равен 63 %, следовательно, КПД конденсационной
тепловой электростанции теоретически равен 0,5. Теплоэлектроцентрали, где осуществляется комплексная выработка электрической
и тепловой энергии, обладают КПД, который в 1,5-1,7 раз выше и
достигает 60-65 %.
Многим отраслям промышленности (химической, металлур-
гической, текстильной, пищевой и другим) тепло необходимо для технологических целей. Примерно 50 % добываемого топлива
расходуется на тепловые нужды предприятий. Отработанный в
турбинах КЭС пар имеет температуру 25-30 °С и давление около
0,04 бара (0,04·10-7 МПа) и непригоден для использования в технологических целях на предприятиях. Во многих производствах требуется
99
пар с давлением 0,5-0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа – для приведения в
движение прессов, паровых молотов, турбин. Иногда требуется
горячая вода, нагретая до 70-150 °С.
Требуется горячая вода и для отопления жилых зданий.
Тепловая энергия в виде пара указанных параметров и горячей воды
может производиться централизованно на ТЭЦ и в крупных
котельных или децентрализованно на заводских мини-ТЭЦ и в
индивидуальных котельных.
На ТЭЦ для получения пара с необходимыми потребителю
параметрами используют специальные турбины с промежуточными
отборами пара. В них, после того, как часть энергии пара израсходуется на приведение в движение турбины, и параметры его
понизятся, производится отбор некоторой доли пара для
потребителей. Оставшаяся доля пара обычным способом используется
в турбине для приведения ее во вращение и затем поступает в
конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывается
меньшим, то несколько возрастает расход топлива на выработку
электроэнергии. Однако это увеличение, в конечном счете, меньше по
сравнению с расходом топлива в случае раздельной выработки
электрической энергии и тепла в небольших котельных.
При сжигании топлива только для получения тепла, например,
для отопления, весь «температурный напор» примерно от 1500 до 100 °С,
т.е. от температуры, получаемой при сжигании топлива, до температуры, нужной для отопления, никак не используется. Выгоднее
использовать этот температурный интервал (больше 1000 °С) для
получения из тепловой энергии механической, а тепло (около 100 °С)
направить на отопление. Конечно, в этом случае механической энергии
при том же количестве сжигаемого топлива получится меньше за счет
повышения конечной температуры примерно на 70 °С (с 30 до 100 °С).
Такое повышение необходимо для обеспечения температуры воды на
нужды отопления. Горячая вода и пар под давлением до 3 МПа
доставляются потребителям по трубопроводам. Совокупность
трубопроводов для передачи тепла называется тепловой сетью.
Передача тепла в виде пара неэкономична на расстояние более 5-7 км.
Централизованное теплоснабжение на базе комплексной выра-
ботки тепловой и электрической энергии обеспечивает в настоящее
время основную долю потребности в тепле промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расход топливно-энергетических ресурсов, а также материальных и трудовых затрат в системах
100