2. Особенности источников теплоты на основе использования топлива, тепловых вэр, окружающей среды

Органическое топливо из-за его свойств остается основным источником используемой человечеством энергии. Запасы органического топлива уже весьма ограничены. Истощение этих запасов, загрязнение окружающей среды, повышение средней температуры атмосферы - все эти и многие другие связанные с ними проблемы, появившиеся уже в связи с достигнутым уровнем потребления энергии и темпами роста его, в дальнейшем (если не принять решительных мер сейчас) преодолеть будет все более и более трудно.

Все виды органического топлива по агрегатному состоянию при нормальных условиях могут быть разделены на твердые, жидкие и газообразные.

Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или га­зовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. В горючих газах могут содержаться также другие компоненты, поэтому газ специально отчищают от нежелательных соединений. В зависимости от физических свойств газы могут быть сжатыми и сжижен­ными.

Все эти виды топлива используются или в естественном состоянии, непосредственно добытые из недр, или в виде искусственных продуктов, полученных в результате переработки исходного естественного топлива, что особенно относится к нефти, которую нецелесообразно применять в сыром виде.

Между тем ресурсы органического топлива, особенно жидкого и газообразного, ограничены, поэтому рациональному расходованию органических топлив должно уделяться серьезное внимание.

Путем преобразования энергии органического топлива примерно 30% энергии топлива превращается в электрическую энергию, а 2/3 энергии поступают в окружающую среду в виде теплового загрязнения и загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Во-вторых, сжигание органического топлива на теплоэлектростанциях и транспорте, в промышленных и бытовых печах приводит в выбросам большого количества оксидов азота, которые способствуют образованию кислотных дождей, смога, а также, являясь сильными токсикантами, воздействуют на органы дыхания через соответствующие кислоты, образующиеся на слизистых оболочках дыхательных путей. В настоящее время органическое топливо является основным источником энергии в мировой энергетике. Однако для долгосрочного решения энергетической проблемы ему следует искать альтернативу. Одной из альтернатив может служить, использование вторичных энергетических ресурсов.

Большинство технологических процессов, работа многих механизмов и систем сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая не используется, а рассеивается в окружающей среде и называется «сбросное тепло».

Сбросное тепло является низкопотенциальным, поскольку имеет температуру незначительно выше температуры окружающей среды. Его выделяют как техногенные системы, созданные людьми, так и источники естественного происхождения (таблица 1.3). Использование низкопотенциального тепла обычным путем, т. е. для нагрева котла с водой на тепловой электростанции затруднено, но оно обладает колоссальным энергетическим потенциалом, поэтому преобразование (утилизация) выбрасываемой тепловой энергии в полезную является важной практической задачей. Это тепло можно использовать применяя тепловые насосы [8].

Таблица 1.3 – Источники низкопотенциального тепла

Техногенные системы	Источники естественного происхождения
Промышленные предприятия: теплота сжатия газов в компрессорах; теплота продуктов сгорания различного рода топлива	Геотермальные источники (энергия Земли)
Системы водяного охлаждения, стоки промышленных предприятий и очистных сооружений (теплота жидкости)	Солнечные коллекторы, солнечные концентраторы (энергия Солнца)
Биогазовые установки, газогенераторные установки, пиролизеры (теплота сгорания топлива, сгенерированного в этих установках)	Космические солнечные батареи (энергия Солнца)
Тепловые движители транспортных средств (теплота выхлопных газов)	Наземные солнечные энергоустановки (энергия Солнца)
Нефтеперерабытывающие заводы, например в Капотне (теплота сгорания попутного газа)
Космические объекты (тепловые потери оборудования)
Птицефабрики, скотофермы и т. д. (энергия биологического топлива)
Лесоперерабатывающие предприятия (энергия сжигания отходов)

В качестве источника низкопотенциальной теплоты может использоваться окружающая среда: наружный воздух, грунт, поверхностные и подземные воды.

Наружный воздух. Тепло, содержащееся в воздухе, может использоваться непосредственно в тепловом насосе. Этот источник является легкодоступным. Учитывая, что температура воздуха в отопительном периоде значительно меняется, применение данного источника в это время не всегда целесообразно для качественного и надежного теплоснабжения потребителя. Некоторыми компаниями внедряются решения, которые позволяют ТН в летний период за счет наружного воздуха вырабатывать горячую воду, а в отопительный сезон насос переключается на другой источник низкотемпературной тепловой энергии (например, на подземную воду).

Подземная вода. Тепло, содержащееся в подземной воде и подземных озерах, напрямую подается в ТН, при этом не требуется установка теплообменника, как при использовании тепла земли. Вода должна иметь соответствующий состав, температуру не менее + 8 °С на протяжении всего года, а также должна быть чистой и в достаточном количестве.

При использовании в качестве источника подземной воды также имеются нюансы, главный из них: охлажденную в ТН воду нельзя возвращать назад прямо в место отбора, т.к. при этом колодец охлаждается. Инженерные решения предлагают сбрасывать отдавшую тепло воду в другой колодец так, чтобы направление течения подземных вод было от места сброса к месту отбора.

Геотермальное тепло или тепло земли. Известным фактом является то обстоятельство, что на определенной глубине почвы ее температура положительна (и по мере увеличения углубления температура растет). Тепло содержащее в почве посредством теплообменника (коллектора) в углублении и теплоносителя передается через циркуляционную схему в ТН. Теплоносителем в данном случае должна являться незамерзающая, экологически безвредная жидкость, а циркуляцию обеспечивает циркуляционный насос. Теплообменник может быть помещен в землю на различное расстояние, в зависимости от требуемой мощности. Для получения большой тепловой мощности рекомендуется скважина глубиной 100 – 150 м. Для получения низких мощностей достаточно поместить теплообменник в плоскостной или траншейный коллектор на глубину 1,5 – 2 м.

Поверхностная вода. При использовании поверхностной воды к ней предъявляются определенные требования, как и для подземной воды. При внедрении ТН с использованием данного вида источника низкотемпературной тепловой энергии очень часто возникают проблемы с чистотой воды, а также с регулярностью температуры (в большинстве случаев температура поверхностной воды поддерживается за счет стоков промышленных предприятий).

Солнечная энергия. Использование солнечной энергии возможно при помощи солнечных коллекторов или в комбинации с дополнительным источником низкотемпературной тепловой энергии. Большинство специалистов склоняется к тому, что такое использование ТН экономически неэффективно, из-за больших капитальных затрат. Более эффективно при достаточной солнечной интенсивности использовать системы теплоснабжения без ТН, которых разработано уже большое количество.

Отработанное тепло промышленных предприятий. В результате технологических процессов на промышленных предприятиях возникает большое количество низкотемпературной тепловой энергии, которая не используется в технологическом цикле. В зависимости от конкретных условий отработанное тепло можно использовать в ТН для теплоснабжения цехов, мастерских, складов и т.д. промышленного предприятия. В частных домах, жилых многоквартирных домах отработанное тепло используется крайне редко из-за зависимости от работы и удаленности от потребителя промышленного предприятия [7].

К тепловым вторичным энергетическим ресурсам относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также теплота рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатах. Для утилизации тепловых вторичных энергетических ресурсов используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты. Рекуперация теплоты отработанных технологических потоков в теплообменниках может проходить через разделяющую их поверхность или при непосредственном контакте.

Тепловые вторичные энергетические ресурсы могут поступать в виде концентрированных потоков теплоты или в виде теплоты, рассеиваемой в окружающую среду. В промышленности концентрированные потоки составляют 41%, а рассеиваемая теплота - 59%. Концентрированные потоки включают теплоту уходящих дымовых газов печей и котлов, сточных вод технологических установок и жилищно-коммунального сектора.

Тепловые вторичные энергетические ресурсы делятся на:

- высокотемпературные (с температурой носителя выше 500°С);

- среднетемпературные (при температурах от 150 до 500°С);

- низкотемпературные (при температурах ниже 150°С).

При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности [6].