•вопросы эксплуатации и технического обслуживания систем охлаждения обсуждаются в Справочном документе по промышленным системам охлаждения.
Применимость
•применимо к любым теплообменникам;
•конкретные подходы выбираются исходя из конкретных условий.
Экономические аспекты
Техническое обслуживание теплообменного оборудования в соответствии с проектными спецификациями позволяет оптимизировать срок окупаемости инвестиций.
Мотивы внедрения
Поддержание производительности оборудования.
Примеры
Кислотная промывка: предприятие Eurallumina, Portovecompany, Италия. См. приложение 7.10.2.
Справочная информация
Инфракрасное оборудование: [162, SEI, 2006]
3.3.2. Тепловые насосы (в т.ч. механическая рекомпрессия пара)
Общая характеристика
Основное назначение теплового насоса – преобразование низкопотенциального тепла (характеризующегося низкой температурой и низким содержанием эксергии) в высокопотенциальное. Тепловой насос способен «перекачивать» тепло от искусственных источников на предприятии (технологических процессов), а также искусственных или естественных источников в окружающей среде (воздуха, грунта, воды). Полученное таким образом тепло может использоваться в бытовых, коммерческих или промышленных целях. Однако наиболее распространенным применением принципа теплового насоса являются разнообразные системы охлаждения, холодильники и т.п. В таких системах тепло «перекачивается» в обратном направлении – от охлаждаемой среды в окружающую среду. В некоторых случаях отводимое при этом тепло может использоваться для удовлетворения какихлибо потребностей в тепловой энергии. Тепловые насосы используются в процессах когенерации и тригенерации (последняя подразумевает возможность производства как тепла, так и холода с учетом сезонных вариаций спроса) (см. разделы 3.4 и 3.4.2).
Функционирование теплового насоса – «перекачка» тепла от источника к потребителю – требует внешнего источника энергии. В качестве такого источника может выступать привод любого типа
– электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания или турбина – или, в случае сорбционного теплового насоса, внешний источник тепла.
Компрессионный тепловой насос (замкнутого цикла)
Компрессионный тепловой насос, вероятно, является наиболее распространенным типом теплового насоса. Он применяется, например, в холодильниках, промышленных системах охлаждения, осушителях, а также системах отопления, использующих тепло окружающей среды – пород, грунта, воды или воздуха. Как правило, компрессионный тепловой насос приводится в действие электродвигателем, однако в крупных промышленных системах могут использоваться паровые турбины.
Компрессионный тепловой насос работает по принципу обратного цикла Карно, состоящего из четырех стадий – испарения, сжатия, конденсации и расширения – образующих замкнутый цикл.
Принцип действия компрессионного теплового насоса проиллюстрирован на рис.3.8. В испарителе циркулирующий жидкий рабочий агент (хладагент) испаряется при низком давлении и низкой температуре, отбирая тепло у источника (например, отходящее тепло какого-либо технологического процесса). Затем температура и давление рабочего агента повышаются в компрессоре, после чего агент конденсируется и охлаждается в конденсаторе, отдавая тепло
185
потребителю. Затем рабочий агент проходит через дроссель, его давление падает, и он вновь поступает в испаритель, замыкая цикл. В результате потенциал низкотемпературного тепла источника (например, сточных вод или отходящих газов) повышается, что позволяет использовать его в другом технологическом процессе или системе.
Рисунок 3.8: Схема компрессионного теплового насоса
[28, Berger, 2005]
Мерой эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования или условный КПД насоса (coefficient of performance, COP). Эта величина представляет собой отношение подводимой потребителю (или, в случае системы охлаждения, отводимой от источника) тепловой энергии к энергии, затрачиваемой на приведение насоса в действие. В качестве последней может выступать, например, электроэнергия, потребляемая электроприводом.
Коэффициент преобразования (COP) компрессионного теплового насоса может быть выражен следующим образом:
COPr = |
Qc |
Уравнение 3.6 |
|
Qh −Qc |
|||
|
|
COPhp = |
Qh |
Уравнение 3.7 |
|
Qh −Qc |
|||
|
|
где COPr и COPhp представляют собой коэффициент преобразования для системы охлаждения и теплового насоса соответственно, а Qh и Qc – количества теплоты, подводимой к нагреваемой системе и отводимой от охлаждаемой системы соответственно.
В случае незначительных колебаний температуры нагреваемой и охлаждаемой сред КПД цикла Карно может считаться постоянным.
186
Для компрессионных тепловых насосов коэффициент преобразования может достигать 6, что означает, что насос производит 6 кВт·ч тепловой энергии на 1 кВт·ч электроэнергии, затраченной компрессором. В энергетических установках, работающих на основе сжигания отходов, отношение получаемой тепловой энергии к энергозатратам компрессора может быть около 5.
Следует, однако, отметить, что коэффициент преобразования адекватно отражает эффективность теплового насоса лишь в случае неизменных рабочих условий (прежде всего, температур сред). Поэтому этот показатель может оказаться неадекватным при оценке общей производительности теплового насоса на протяжении длительных промежутков времени, когда температура среды и другие условия могут меняться. На практике, только сезонный коэффициент производительности (seasonal overall efficiency, SOE) отражает долгосрочную эффективность теплового насоса. Кроме того, при оценке энергоэффективности последнего должны быть приняты во внимание любые дополнительные затраты энергии, связанные с его функционированием.
Для достижения высокой сезонной производительности теплового насоса необходимо обеспечить выполнение следующих условий:
•хорошее качество самого теплового насоса;
•высокая и постоянная температура источника тепла (выше, чем температура окружающего атмосферного воздуха);
•низкая температура «стока» (получателя) тепловой энергии;
•интеграция всех компонентов (т.е. теплового насоса, источника и получателя тепла, системы управления, системы распределения полученного тепла) в единую оптимизированную систему.
Абсорбционный тепловой насос
Абсорбционные тепловые насосы применяются не так широко, как компрессионные, особенно в промышленности. Как и насос компрессионного типа, абсорбционный насос первоначально был разработан для целей охлаждения. В коммерческих насосах данного типа рабочий агент (вода) циркулирует по замкнутому контуру, последовательно проходя через генератор, конденсатор, испаритель и абсорбер. Роль механического сжатия в данном случае выполняет абсорбция рабочего агента растворителем (в роли которого, как правило, выступает раствор солей, например, бромида лития, или аммиак) с последующим выпариванием.
Принцип работы абсорбционного теплового насоса проиллюстрирован на рис. 3.9. Газообразный рабочий агент, покидая испаритель, поглощается растворителем в абсорбере, в результате чего выделяется теплота абсорбции. Образовавшийся раствор, обогащенный рабочим агентом, подается в генератор при помощи насоса, обеспечивающего повышение давления. В генераторе происходит выпаривание рабочего агента из раствора за счет внешнего источника тепла (например, горелки на природном газе или сжиженном нефтяном газе, или за счет тепла, отходящего от другого процесса). Сочетание абсорбера и генератора действует как тепловой компрессор, обеспечивающий повышение температуры и давления. Покидая генератор под высоким давлением, рабочий агент поступает в конденсатор, где конденсируется, отдавая высокопотенциальное (высокотемпературное) тепло.
Энергопотребление насоса, перекачивающего растворитель в абсорбционном тепловом насосе, существенно ниже, чем энергопотребление насоса в компрессионном тепловом насосе (энергозатраты на перекачивание жидкости ниже, чем на сжатие и перекачивание газа).
187
Рисунок 3.9: Схема абсорбционного теплового насоса
[28, Berger, 2005]
Мерой эффективности абсорбционного насоса является коэффициент преобразования или условный тепловой КПД, рассчитываемый как отношение количества тепла, получаемого потребителем, к затрачиваемой энергии топлива. Если в качестве источника энергии для генератора используется отходящее тепло, то соответствующая величина рассчитывается как отношение количества тепла, получаемого потребителем, к затратам отходящего тепла. Условный тепловой КПД современных абсорбционных тепловых насосов достигает величины 1,5. Отношение производимой насосом тепловой мощности и мощности абсорбера (за счет теплоты абсорбции), как правило, составляет около 1,6. Современные системы с рабочей смесью «вода – бромид лития» обеспечивают на выходе насоса температуру 100ºC и повышение температуры на 65ºC. Новое поколение систем будет обеспечивать более высокие температуры на выходе (до 260ºC) и большее повышение температуры.
Механическая рекомпрессия пара (МРП)
Процесс МРП представляет собой разомкнутый или полузамкнутый цикл, действующий по принципу теплового насоса. Пар низкого давления, отходящий от технологических процессов (например, котлов, испарителей или варочных камер) подвергается сжатию и затем в процессе конденсации отдает тепло при более высокой температуре, заменяя таким образом свежий пар или другую форму высокопотенциальной энергии. Как правило, энергозатраты при этом составляют лишь 5–10% тепла, получаемого таким образом. Упрощенная схема процесса механической рекомпрессии пара представлена на рис. 3.10.
Чистый пар может использоваться непосредственно, однако в случае загрязненного пара необходим промежуточный теплообменник (ребойлер). В этом случае система является полузамкнутой.
188
Рисунок 3.10: Схема процесса МРП
[18, Åsbland, 2005]
Поскольку процесс МРП позволяет устранить один или два теплообменника (испаритель и/или конденсатор, присутствующие в тепловых насосах замкнутого цикла), его эффективность весьма велика. И в этом случае мерой эффективности является коэффициент преобразования, представляющий собой отношение тепла, переданного потребителю, к энергопотреблению компрессора. На рис. 3.11 показаны характерные значения коэффициента преобразования процесса МРП в зависимости от величины повышения температуры. Как правило, значения коэффициента преобразования для МРП находятся в диапазоне 10–30.
Рисунок 3.11: Коэффициент преобразования (COP) в зависимости от величины повышения температуры для типичного процесса МРП
[18, Åsbland, 2005]
Критерий, определяющий приемлемость использования МРП на предприятии, определяется уравнением 3.8:
COP > |
|
ηкот. |
Уравнение 3.8. |
|
η |
η |
распр. |
||
|
|
эл.ст. |
|
|
В уравнении 3.8:
ηкот. – КПД котла на данном предприятии; ηэл.ст. – КПД электростанций, производящих энергию для национальной сети;
189
ηраспр. – КПД распределительных сетей, отражающий уровень потерь в них.
Таким образом, чтобы использование МРП было оправданным, коэффициент преобразования должен превышать, скажем, 3, если электроэнергия производится на конденсационной ТЭС. На практике коэффициент преобразования всех систем МРП существенно превышает этот уровень.
Экологические преимущества
Тепловой насос позволяет утилизировать низкопотенциальное тепло с меньшими затратами первичной (высококачественной) энергии, чем количество энергии, поставляемое потребителю (конкретное соотношение зависит от коэффициента преобразования и выполнения условий, обеспечивающих стабильную сезонную производительность устройства). Это создает возможности для использования энергии низкопотенциального тепла, например, для отопления помещений на предприятии или за его пределами, в т.ч. в жилом секторе. Результатом является сокращение затрат первичной энергии и выбросов, связанных с ее производством, к которым, в зависимости от применяемых методов, могут относиться диоксид углерода (CO2), диоксид серы (SO2), а также оксиды азота (NOx).
Эффективность любого теплового насоса существенно зависит от требуемой величины повышения температуры – разницы температур на входе и выходе системы.
Воздействие на различные компоненты окружающей среды
При использовании рабочего агента с негативным воздействием на окружающую среду (в т.ч. обладающего потенциалом глобального потепления) – утечки хладагента в атмосферу при эксплуатации или выводе из эксплуатации компрессионных и сорбционных тепловых насосов.
Производственная информация
См. «Общая характеристика» выше.
Применимость
Компрессионные системы: традиционно используемые рабочие агенты ограничивают температуру на выходе системы величиной около 120 °C.
Абсорбционные системы: системы, использующие смесь воды и бромида лития, могут обеспечивать температуру на выходе до 100°C и повышение температуры на величину до 65°C. Системы нового поколения характеризуются более высокой температурой на выходе (до 260 °C) и величиной повышения температуры.
Современные системы МРП работают с источниками тепла, имеющими температуру 70–80°C, и производят тепло с температурой 110–150°C, в некоторых случаях – до 200°C. Чаще всего в таких системах применяется водяной пар, однако могут использоваться и пары других веществ, например, в нефтехимической промышленности.
Ситуация с системами когенерации (одновременное производство тепла и электроэнергии) является более сложной. Например, при использовании турбин с противодавлением необходимо учитывать также потери работы турбины.
Применимость
Тепловые насосы традиционно используются в холодильном оборудовании и системах охлаждения (где отводимое тепло часто рассеивается, см. раздел 3.9). Это служит подтверждением того, что данная технология хорошо освоена и является надежной, но не ограничивает области ее применения. Тепловые насосы могут использоваться как средство утилизации тепла для широкого спектра возможных применений, включая:
•отопление помещений;
•нагрев и охлаждение технологических потоков;
•нагрев воды для мойки, уборки и использования в санитарно-гигиенических целях;
•производство пара;
•сушка;
190
•выпаривание;
•дистилляция
•концентрирование.
Они также могут использоваться в системах когенерации и тригенерации.
В промышленности отходящее тепло чаще всего связано с потоками охлаждающих жидкостей, стоков, конденсата, влаги, а также тепла, отводимого от конденсаторов в системах охлаждения. В силу неравномерности производства отходящего тепла стабильная эксплуатация тепловых насосов может потребовать установки крупных (теплоизолированных) аккумуляторов тепла.
Сорбционные тепловые насосы могут применяться в системах охлаждения на предприятиях, где образуется большое количество отходящего тепла.
Большинство существующих систем МРП используются для таких технологических операций, как дистилляция, выпаривание и сушка, хотя производство пара для парораспределительных сетей также является распространенным применением.
Тепловые насосы используются на промышленных предприятиях относительно редко. Как правило, решение об их установке принимается в процессе проектирования новых объектов или планирования крупной модернизации существующих (см. раздел 2.3).
Использование тепловых насосов является более рентабельным в условиях высоких цен на топливо. Как правило, тепловые насосы являются более сложными, чем системы производства тепла за счет сжигания ископаемого топлива, хотя данная технология достаточно надежна.
Экономические аспекты
Экономические аспекты использования тепловых насосов существенно зависят от местных условий. Срок окупаемости соответствующих инвестиций в промышленности составляет не менее 2 лет. Это связано как с низкими ценами на энергию, снижающими экономический эффект утилизации тепла, так и со значительным объемом необходимых капитальных инвестиций.
Рентабельность систем МРП также зависит как от цен на топливо и электроэнергию, так и от капитальных затрат. Так, капитальные затраты на внедрение системы МРП на предприятии в шведском городе Нюмолла составили около 4,5 млн. евро. Эти затраты были частично профинансированы за счет гранта в размере почти 1 млн. евро, предоставленного шведским Агентством по охране окружающей среды. Введенная в эксплуатацию система обеспечивает экономию в размере около 1 млн. евро в год.
Мотивы внедрения
•снижение эксплуатационных затрат, связанных с энергопотреблением;
•внедрение системы может предоставить возможность для расширения объема производства без инвестиций в установку нового котла в условиях, когда мощность котлов является лимитирующим фактором.
Примеры
•предприятие Dåvamyren, г. Умео, Швеция: компрессионный тепловой насос на предприятии по производству энергии за счет сжигания отходов;
•предприятие Renova Göteborg, Швеция: абсорбционный тепловой насос;
•предприятия Borlänge, Halmstad и Tekniska Verken, г. Линчепинг, Швеция, производство энергии за счет сжигания отходов и биотоплива: установки МРП;
•на предприятии по производству сульфитов компании StoraEnso в г. Нюмолла, Швеция, в 1999 г. была установлена система механической рекомпрессии пара. Источником низкопотенциального тепла служит отходящий пар процесса подогрева черного щелока перед выпариванием. Этот загрязненный пар, имеющий температуру 84ºC, конденсируется в паро-паровом теплообменнике (ребойлере), где производится чистый пар с температурой на 5ºC ниже и давлением 0,45 бар (м). Двухступенчатый компрессор повышает давление пара до величины около 1,7 бар (м). После устранения перегрева при
191