-
Теплонасосная система теплоснабжения
Тепловые насосы (повышающие термотрансформаторы) – это устройства (машины), воспринимающие теплоту окружающей среды для последующей передачи ее телу с более высокой температурой. Таким образом, тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее передать теплоту от более холодного тела более нагретому за счет использования дополнительной энергии. Применение тепловых насосов – один из важных путей утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов.
Главная область применения тепловых насосов в настоящее время – нагрев теплоносителя для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий. Однако их можно использовать и для технологических целей.
Тепловые насосы различают, прежде всего, по способу преобразования теплоты. Типы тепловых насосов совпадают с типами холодильных установок, так как реализуют один и тот же термодинамический цикл и подразделяются на парокомпрессионные, газокомпрессионные, сорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические.
Другой важный вид классификации тепловых насосов – тип источника энергии, который используется для преобразования теплоты. Это может быть электродвигатель, газовая турбина, двигатели внутреннего сгорания, механическая энергия струи пара и т.д. Часто тепловые насосы разделяют по виду рабочего агента (фреоновые, аммиачные, воздушные и др.) и типу теплоносителей, отдающих и воспринимающих теплоту (воздух-воздух, вода- воздух, вода – вода и т.д.).
Практическое применение получили тепловые насосы двух типов:
-
парокомпрессионные (ПТНУ), где рабочим телом являются различные фреоны и сжатие осуществляется механическим путем с помощью компрессора;
-
абсорбционные (АТНУ), где рабочим телом является раствор, состоящий, как правило, из двух компонентов. Эти компоненты имеют разные температуры кипения при одном и том же давлении. Один компонент является рабочим агентом, а другой – абсорбентом (поглотителем).
В мировой практике наиболее распространены парокомпрессионные ТНУ. Это объясняется, с одной стороны, их большей энергетической эффективностью по сравнению с АТНУ, с другой стороны – характерным для развитых стран практически неограниченным снабжением электроэнергией, которая с ПТНУ идет на привод электродвигателя компрессора. Зарубежные ПТНУ являются компактными и высокотехнологическими агрегатами.
Наибольшее распространение в настоящее время получили парокомпрессионные тепловые насосы, использующие в качестве рабочего агента один из фреонов или их смесь. Более детально на указанных выше вопросах остановимся в следующих разделах.
Тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкопотенциального температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия.
Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса изображена на рисунке 1.6, а на рисунке 1.7 представлен его термодинамический цикл. Работа теплового насоса осуществляется за счет подводимой к электроприводу компрессора электроэнергии.
В процессе 1– 2 (в компрессоре) повышается давление рабочего вещества с до . Затем в процессе 2 – 3 (в конденсаторе) при постоянном давлении происходит охлаждение и конденсация рабочего вещества с отводом тепла , которое передается потребителю. В процессе 3-4 происходит расширение (дросселирование) рабочего вещества с до , а в процессе 4 – 1 в испарителе рабочее вещество испаряется при за счет подведенного от низкотемпературного источника тепла . Это количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на температурный уровень (передается потребителю).
Отношение вырабатываемой тепловой энергии к потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. В наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более.
.КМ – компрессор; К – конденсатор; Др – дроссель; И – испаритель.
Рисунок 1.6 – Схема парокомпрессионного теплового насоса
- давление и температура в конденсаторе; – давление и температура на входе в компрессор.
Рисунок 1.7 - Термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса
Тепловой насос должен использовать по возможности большее количество энергии источника низкопотенциального тепла, не вызывая при этом его сильного охлаждения, поскольку при этом достигается наибольшая эффективность рабочего цикла теплового насоса. Вследствие этого масса низкотемпературного источника тепла должна быть многократно большей, чем нагреваемая масса рабочего вещества [7].
Рассмотрим альтернативные схемы отопления с тепловым насосом.
Весьма перспективно напольное отопление. Кроме того, можно применять и другие системы отопления, например, конвекторы и панельные радиаторы, если достаточна плошадь теплопередающей поверхности.
На рисунке 1.8 показана низкотемпературная система отопления, обогревающая пол [8]. Такой вариант отопительной установки можно реализовать преимущественно в новых сооружениях. Изменение температуры грунтовых вод в течение года настолько незначительно, что моновалентная установка с ТН может обеспечить теплоснабжение дома в течение всего отопительного периода. По окончании отопительного периода вода нагревается другим способом, например электричеством.
1 — вода из скважины; 2 — вода, поступающая в фильтрационную скважину; 3 — ТН; 4, 5 — циркуляционные насосы; 6 — напольное отопление; 7 — водонагреватель; 8 — расширительный бак; 9 – 11 - регуляторы температуры; 12 — электрический нагреватель
Рисунок 1.8 - Схема напольной системы отопления
На представленной схеме (рисунок 1.8) регулятор температуры 9 включает или выключает циркуляционный насос 5 в зависимости от температуры наружного воздуха. Регулятор температуры 10 включает или выключает ТН 3 и насос 4 в зависимости от температуры горячей воды в обратной линии системы отопления. Путем электроблокировки ТН может быть запущен лишь в том случае, если работают насосы 4 и 5. При необходимости можно включить дополнительный прямой электронагрев, который управляется регулятором температуры 11.
Прямое регулирование температуры воздуха в помещении с напольным отоплением невозможно вследствие высокой инерционности системы. Температуру поверхности пола или горячей воды удобнее регулировать в обратной линии системы отопления.
На рисунке 1.9 показана бивалентная система отопления. Роль источника теплоты для ТН выполняет вода из артезианской скважины, которая в течение года имеет постоянную температуру (примерно 10 - 15°С). По сравнению с предыдущей схемой в рассматриваемой схеме теплопроизводителъность ТН может быть меньше. В течение всего отопительного периода отопление осуществляется в основном ТН, и лишь при низких температурах наружного воздуха используется водогрейный котел.
1 — вода из скважины; 2 — вода, поступающая в фильтрационную скважину;
3, 6 — циркуляционные насосы; 4 — ТН; 5 — водогрейный котел; 7 — нагревательные приборы; 8 — водонагреватель; 9 — ручной запорный вентиль; 10 — ручной регулирующий вентиль; 11 — магнитный вентиль; 12 — расширительный сосуд; 13— 16 — регуляторы температур; 17 — электрический нагреватель
Рисунок 1.9 - Схема бивалентной системы отопления
При отоплении ТН ручной вентиль 9 закрыт. Регулятор температуры 13 включает или выключает циркуляционный насос 6 в зависимости от температуры воздуха в помещении. Управление ТН и насосом для подачи воды из артезианской скважины осуществляется с помощью регулятора температуры 14 в зависимости or температуры воды в обратной линии системы отопления. Запуск ТН возможен только в том случае, если работают насосы 3 и 6. В течение отопительного периода теплоноситель подается ре только в нагревательные приборы, но и в водонагреватель. Расход воды в системе отопления устанавливается с помощью ручного вентиля 10. При достижении заданной температуры горячей воды срабатывает регулятор температуры 15, который может быть выполнен в виде терморегулятора. По окончании отопительного периода воду подогревают путем прямого электронагрева, как и в ранее описанной схеме.
При отоплении посредством водогрейного котла ручной вентиль 9 открыт. С достижением определенной температуры в подающей линии системы отопления регулятор температуры 16 закрывает магнитный вентиль 11, защищая таким образом ТН от попадания горячей воды с недопустимо высокой температурой. При этом циркуляционный насос системы отопления 6 не работает, поскольку система отопления с водогрейным котлом устроена по принципу гравитационной системы. Регулятор температуры функционирует так же, как и при отоплении с помощью ТН.
Для преобразования солнечной энергии в тепловую применяют солнечные коллекторы. Конструкция и форма солнечных коллекторов зависят от требуемой разности температур между теплоносителем и окружающей средой. Обычно при использовании солнечных коллекторов вместе с ТН разность температур между нагреваемым в коллекторе теплоносителем и окружающей средой менее 50°С. В этой области применения рекомендуются так называемые низкотемпературные коллекторы, обычно изготавливаемые в виде плоских конструкций.
Принципиальная схема системы отопления и горячего водоснабжения малоэтажного жилого дома, содержащая ТН, солнечные коллекторы и электрическое отопление с ночным тсплоаккумулированием в качестве альтернативного варианта, представлена на рисунке 1.10.
Циркуляционный насос прокачивает через солнечные коллекторы теплоноситель, который нагревается под воздействием солнечного излучения. Затем нагретый теплоноситель проходит через нагревательный змеевик 2 аккумулятора 3 вместимостью 3 м3, отдавая свою тепловую энергию находящейся в нем воде, поступающей в систему отопления. Нагретая таким образом вола проходит через установленный в верхней части аккумулятора водоподогреватель 4 вместимостью 0,3 м3. В аккумуляторе предусмотрен также дополнительный нагрев воды электронагревателем 5, который работает только в ночное время. Электрическое отопление - это альтернативный вариант, который используется только в случае выхода из строя других систем отопления.
1 - солнечные коллекторы; 2 - нагревательный змеевик; 3 - аккумулятор: 4 - водонагреватель; 5 - электронагреватель; 6 - ТН; 7 - низкопотенциальный источник теплоты; 8 - нагревательные приборы; 9 - 11 - циркуляционные насосы
Рисунок. 1.10 - Схема системы отопления с солнечными коллекторами
Циркуляционный насос прокачивает через солнечные коллекторы теплоноситель, который нагревается под воздействием солнечного излучения. Затем нагретый теплоноситель проходит через нагревательный змеевик 2 аккумулятора 3 вместимостью 3 м3, отдавая свою тепловую энергию находящейся в нем воде, поступающей в систему отопления. Нагретая таким образом вола проходит через установленный в верхней части аккумулятора водоподогреватель 4 вместимостью 0,3 м3. В аккумуляторе предусмотрен также дополнительный нагрев воды электронагревателем 5, который работает только в ночное время. Электрическое отопление - это альтернативный вариант, который используется только в случае выхода из строя других систем отопления.
В качестве основной системы выработки теплоты предусмотрен тепловой насос 6 в исполнении вода – вода. Грунтовые воды забираются из скважины 7 и подводятся к испарителю ТН. Теплота грунтовых вод доводится ТН до максимальной температуры 60°С и через конденсатор передается в контур отопления.
На рисунке 1.11 приведена схема комбинированной выработки теплоты и холода, в которой источником теплоты для дополнительного ТН служит охлаждающая вода из градирни холодильных машин. Емкость охлаждающей во ды в градирне гасит кратковременные колебания температуры, возникающие вследствие прерывистого режима работы холодильных агрегатов, и тем самым обеспечивает стабильный режим работы ТН.
1 – ТН; 2 – торговый зал; 3 – напольное отопление; 4 – холодильник; 5 - холодильные машины; 6 – градирня; 7 – бассейн.
Рисунок – 1.11. Схема установки с ТН, использующим в качестве источника теплоты охлаждающую воду из холодильных машин
На рисунке 1.12 приведена схема установки для летнего кондиционирования и зимнего отопления [10].
а – компрессор; b – теплообменник; c – конденсатор; d – испаритель; e - регулирующий вентиль; f – кондиционер.
Рисунок 1.12 – Схема установки для летнего кондиционирования и зимнего отопления
Из рисунка 1.12 видно, что при летнем кондиционировании вентили 1 – 4 открыты, а вентили 5 – 8 закрыты. Вода подается извне насосом Н1 в конденсатор и выходит из него наружу. Вода же, служащая хладоносителем, проходит через кондиционеры и испаритель, охлаждаясь в нем и совершая замкнутую циркуляцию внутри системы.
При зимнем отоплении вентили 5 – 8 открыты, а вентили 1–4 закрыты. Насос Н2 прокачивает воду по замкнутому контуру через конденсатор, в котором она получает теплоту от конденсирующегося рабочею вещества, и через кондиционер, в котором эта теплота отдается воздуху помещения. Зимой насос Н1 прокачивает воду, которая в этом случае является источником тепла низкого потенциала, через испаритель и удаляет ее из системы наружу.
Особенно эффективно использование ТН в системах разновременной выработки холода и теплоты. Попеременное потребление теплоты и холода происходит при кондиционировании помещений. Летом холодильная машина используется для охлаждения, а зимой - для отопления. При попеременной эксплуатации систем охлаждения и отопления связь между ними не прямая, а косвенная. Режимы работы холодильной и отопительной систем могут незначительно отличаться. Переключение возможно как в холодильном контуре, в сети жидкого теплоносителя или хладоносителя, так и в воздуховодах.
Системы с попеременной эксплуатацией холодильной и отопительной установок не требуют дополнительных затрат на холодильный агрегат для системы отопления. Благодаря соединению холодильной и отопительной установок их работа возможна в различных режимах.
Существуют схемы [9], в которых тепло от солнечного коллектора передается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены и трубки испарителя ТН. Схема такой установки показана на рисунке 1.13.
1 - солнечные коллекторы; 2 — нагревательный приборы; 3, 4 — внепиковые ТН; 5- ТН; 6 – тепловой аккумулятор.
Рисунок 1.13 – Схема системы отопления с тепловым аккумулятором
Фактически в схеме используются три ТН: один для передачи тепла с повышением температуры от солнечного коллектора к аккумулятору, второй - от аккумулятора к системе отопления и третий - oт аккумулятора к системе горячего водоснабжения.
Пути повышения эффективности теплохладоснабжения промышленных предприятий на базе источников теплоты различного температурного потенциала должны определяться на основе технико-экономического анализа технологических схем и их оптимизации.
В конце можно сделать предварительный вывод: на сегодняшний день предприятие ОАО «Крион» использует устаревшую, малоэффективную систему отопления, она не отвечает требованиям для отопительного периода, из-за малой температуры теплоносителя в системе отопления, всего лишь 40 °С ( в зимний период), т.к. ранее была произведена замена компрессорного оборудования. Старые поршневые компрессоры были заменены на более современные винтовые, которые, по сравнению с поршневыми, при работе выделяют меньшее количества теплоты. На сегодняшний день самым оптимальным и эффективным проектом по реконструкции системы отопления на данном предприятии, является внедрения теплового насоса использующие низкопотенциальную теплоту от системы охлаждения компрессорных установок разделения воздуха.