4.4 Тригенерація

Тільки недавно суспільство звикло до визначення “когенерація” і конструктори почали обладнувати котельні когенераційними установками, як з’явилось нова назва – тригенерація. В перекладі цей термін означає комбіноване виробництво електроенергії, теплоти і, додатково, холоду. З технологічної точки зору – це поєднання когенераційної установки з абсорбційною охолоджувальною установкою.

Холод, який ми одержуємо, може використовуватись для охолодження молока, охолодження різноманітної сільськогосподарської продукції, в системах кондиціонування. Адже відомо, що одним з ефективних способів консервації і зберігання сільськогосподарської продукції є її охолодження. Для того, щоб зберегти якість молока, його необхідно терміново охолодити до 4⁰С (при тривалому зберіганні).

Виходячи з сьогоднішніх умов невеликим фермерським господарствам економічно вигідніше доставляти молоко на прийомний пункт, який обладнано тригенераційною установкою для охолодження молока. А звідти один раз в добу його відвантажують на переробне підприємство.

Такий комплекс є економічно вигідним з точки зору експлуатації когенераційної установки, так як дає можливість утилізувати тепло і в літній неопалювальний сезон, тобто забезпечити роботу установки з повним навантаженням протягом цілого року.

Потреба в енергії на охолодження і можливості покриття її біогазом ілюструється цифрами, наведеними в таблиці 4.8.

Таблиця 4.8 Потреби в енергії на охолодження молока і можливості покриття їх біогазом

Поголівя тварин, у.гол.	Електрична потужність установки, кВт	Витрати енергії		Можлива потреба в біогазі
		МДж/год	МДж на 1 у.гол. в добу	М3 на 1 у.гол. в добу	М3/добу
20	1,2	7000	0,96	0,07	1,4
40	2,4	14000	0,96	0,07	2,8
60	3,6	21000	0,96	0,07	4,2
80	4,8	28000	0,96	0,07	5,6

Саме для цієї мети когенераційну установку обладнують тепловими насосами. Вони піднімають теплоту, котра знаходиться на нижчому температурному рівні, а також різні форми викидної теплоти на більш високий температурний рівень.

Енергоносії, які постачають теплову енергію з низькою температурою для здійснення теплопомпового циклу, називаються джерелами теплоти. Вони віддають теплову енергію шляхом теплопередачі, конвекції і (або) випромінювання. Енергоносії, які сприймають в теплопомповому циклі теплову енергію підвищеного потенціалу, називаються приймачами теплоти. Вони сприймають теплову енергію шляхом теплопередачі, конвекції і (або) випромінювання. Енергоносій, який служить джерелом теплоти, надходить у випаровувач, де випаровується рідкий холодоагент. Схему теплового насосу показана на рис.4.11.

Теплота випаровування, необхідна для цього, відбирається від джерела теплоти, так як випаровування холодоагенту проходить при низькій температурі. У круговому циклі пари холодоагенту всмоктуються компресором і стискуються до високого тиску. При стискуванні їх температура підвищується, що створює можливість віддачі теплової енергії теплоприймачу. Пари холодоагента при підвищенні тиску надходять у конденсатор, через який протікає енергоносій, що служить приймачем теплоти. Його температура нижча температури пари холодоагенту при підвищеному тиску. При конденсації пари виділяється теплова енергія, яка сприймається теплоприймачем. Із конденсатора рідкий холодоагент через регулюючий вентиль (дросельний клапан) надходить знову у випаровувач і круговий цикл замикається. У регулюючому вентилі високий тиск, при якому надходить холодоагент із конденсатора, знижується до тиску у випаровувачі. Одночасно знижується його температура

Енергетична ефективність компресорної теплової помпи оцінюється відношенням:

_с=Q_mn/P

де Q_mn-теплопродуктивність, Вт;

Р-споживана потужність, Вт.

Для приводу теплового насосу необхідна механічна (компресорний тепловий насос) або теплова (абсорційний тепловий насос) енергія. В обох випадках можна використовувати біогаз.

Застосування теплового насосу тим доцільніше, чим вищий коефіцієнт трансформації “”. Останній залежить від різниці температур попереднього нагріву (конденсатор) і навколишнього середовища (випаровувач), зменшуючись із збільшенням цієї різниці, а також від конкретної системи теплового насосу.

В таблиці 4.9 показано середні значення коефіцієнта трансформації теплових насосів “”.

Таблиця 4.9 Середні значення коефіцієнта трансформації теплових насосів.

Схема передачі тепла	Коефіцієнт трансформації, 
Повітря-повітря	2,5
Повітря-вода	2,5
Грунт-вода	3,0
Вода-вода	4,0
Викидна теплота-вода	до 6,0

Привід теплового насоса газовим двигуном, завдяки можливості спільного виробництва теплової і механічної енергій, максимальній утилізації високотемпературної вихлопної теплоти двигуна, забезпечує значно краще використаня первиної енергії, ніж в звичайному опалювальному котлі або електротепловім насосі. Максимально можлива величина використання первинної енергії залежить від досягнутого коефіцієнта трансформації. Про це свідчать дані таблиці 4.10

Таблиця 4.10 Порівняння балансів енергії для різних типів теплових насосів, працюючих по схемі “повітря-вода”, %.

	Первинна енергія, %	Отримання корисної теплоти, %	Кількість первинної енергії, необхідної для отримання 100% корисної теплової енергії.
Класичний опалювальний котел (на газі)	100	75	133
Електротепловий насос	100	97	103
Газокомпресорний тепловий насос	100	179	56
Відповідні схеми перетворення енергії зображені на рисунку 4. 12 Газокомпресорний тепловий насос при поєднанні віддачі теплової та механічної енергії дає найвищу економію первинної енергії. Порівнюючи з електротепловим насосом він має такі переваги: Додаткове одержання теплоти, яка становить приблизно 50% від теплоти двигуна; Можливість конденсації при більш низьких температурах і, внаслідок цього, збільшення коефіцієнту трансформації “” завдяки використанню цієї теплоти; Можливість економічної роботи без додаткового підігріву при зовнішній температурі повітря нижче 0 градусів; Для отримання необхідної кількості корисної теплоти потрібен менш потужний тепловий насос (як правило, на 30…50%); При роботі із звичайним холодоагентом R22 можливо досягнути температури гарячої води 55 0С, яка придатна лише для панельного опалення підлоги.При використанні теплоти двигуна , температуру води можна підвищити до 90 0С, що дозволяє використовувати звичайні радіатори; Безступінчате регулювання потужності шляхом зміни частоти обертання валу двигуна в інтервалі 900…1500. Додаткове регулювання можливе шляхом зміни відкривання клапанів компресора, в результаті чого можна плавно регулювати потужність від 100% до 15%. Електротепловий насос можливо регулювати лише ступінчатим перемиканням, оскільки двигуни з плавним регулюванням частоти обертання (наприклад, двигуни з фазним ротором або частотними перетворювачами) значно дорожчі і викликають труднощі в підключенні. Газоабсорційний тепловий насос	100	120	83

Абсорбційна теплова помпа має також випаровувач і конденсагор, які працюють так само як у парокомпресорному циклі. Теплота підводиться до випаровувача, викликає кипіння холодоагенту при низькому тиску. Корисне тепло відводиться до конденсатора, всередині якого проходить конденсація при високому тиску. Однак в абсорбційному циклі використовується додатковий контур, в якому протікає рідкий абсорбент або розчинник. Випари холодоагенту поглинаються рідиною при низькому тиску. Потім рідина спеціальною помпою перекачується в область високого тиску, де підводиться теплота і незважаючи на високий тиск, пари холодоагенту виділяються з рідини. Оскільки суміш рідкого абсорбенту і холодоагенту практично не стискаються, витрати потужності на помпу малі і джерелом первинної енергії є тільки теплота, що підводиться до генератора пари, який завжди має максимальну температуру циклу.Теплота, що виділилась в абсорбері, додається до теплоти від конденсатора.

Для охолодження молока в літній період більш ефективним є абсорбційний тепловий насос. Перевагою абсорбційної установки (крім вище наведеної можливості поєднання з когенераційною установкою) порівняно з компресорним охолодженням є те, що вона може працювати на підведеній тепловій енергії, яку літом необхідно утилізовувати, а не на дорогій електроенергії (у випадку компресорного охолодження). Абсорбційне охолодження тихе, просте і надійне. Недоліком є більш високі капітальні вкладення в порівнянні з компресорним охолодженням, великі габарити і велика маса.

Основним принципом асорбційної циркуляції є заміна компресії тепловим процесом, в якому холодоносій при низькому тиску поглинає абсорбер, потім переміщується в другий теплообмінник, який працює при більш високому тиску. В результаті створюється холодоносій з більш високим тиском, який відповідає умовам конденсації. Процеси в конденсаторі і випаровувачі аналогічні процесам при паровій циркуляції.

Абсорбційне охолодження складається з трьох контурів, між якими проходить обмін тепла. Першим є контур опалювальної води, яка використовується в якості носія внутрішнього теплообміну. Цей контур з’єднує джерело тепла з когенераційною установкою. Другий контур – контур холодної води, який підключений прямо в контур охолодження – як центральне опалення, тільки замість гарячої води наповнений холодною водою, яка в приміщенні охолоджує повітря і відводить тепло з приміщення. Третім є контур охолоджувальної води, який відводить теплу воду до установки охолодження. Охолодження здійснюється найчастіше з використанням охолоджувальних башт.

Використовуючи можливості тригенерації, також можна проводити кондиціонування виробничих і побутових приміщень.