Теплонасосная установка для утилизации теплоты оборотной воды

Утилизация теплоты оборотной воды с помощью тепловых насосов для целей теплоснабжения является одним из эффективных энергосберегающих технических решений.

Повышение уровня рационального использования энергетических ресурсов является важнейшей проблемой современности. Это определяется не только ростом потребности, удорожанием их добычи и производства, но и тем что по объему использования энергетических ресурсов и связанному с этим воздействием на природу человечество приближается к предельно допустимому порогу.

Система горячего водоснабжении с температурой 60÷65^◦С, для получения которой в котельных сжигается газ и система технического водоснабжения, осуществляется от оборотного водоснабжения с охлаждением теплой воды в градирнях. Перечисленные традиционные системы энергообеспечения, несмотря на самое широкое их распространение, не отвечают ряду современных требований в отношении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и качестве энергоснабжения. Так, получение относительно малоценных энергоносителей (вода 60÷65^◦С) для горячего водоснабжения и отопления (температура воздуха в помещении 20÷25^◦С) сжиганием топлива и последующей многоступенчатой трансформацией энергии можно отнести к процессам с очень низким коэффициентом использования энергии первичного топлива.

Энергетическую эффективность отопительных систем можно выявить пользуясь эксергетическим методом термодинамического анализа, который учитывает не только «количество» но и «качество» (температуру, давление и др.) используемых в системе энергоносителей. Данный метод получил в последние годы широкое распространение при анализе отопительных и охладительных систем [1].

Обычный водогрейный котел даже при современных технических решениях имеет низкое значение эксергетического КПД в виду необратимости процесса горения и теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой водой.

Системе технического водоснабжения технологического производства с охлаждением воды в градирнях также присущи весьма существенные недостатки:

‒ вся теплота, отводимая от технологического оборудования, теряется;

‒ огромные масштабы отвода теплоты в окружающую среду приводит к «тепловому загрязнению» и способствует глобальному потеплению и изменению климата Земли;

‒ температура охлажденной воды зависит от параметров окружающей среды и в теплые периоды года значительно превышают температуру, необходимую для нормальной эксплуатации технологических установок. В результате производительность технологического оборудования в теплый период года снижается.

‒ контакт воды с атмосферой в градирнях приводят к её загрязнению и интенсивному образованию накипи в теплообменных поверхностях технологического оборудования, что сопровождается снижением производительности, перерасходам тепловой энергии, повышением расхода энергии на перекачку воды и неизбежными частными чистками теплообменных поверхностей;

‒ ограничение температуры теплой воды, отводимой от охлаждаемого технологического оборудования величиной 35÷40^◦С, поскольку при более высокой температуре начинается интенсивное выпадение солей карбонатной жесткости на теплообменных поверхностях;

‒ завышается вес теплообменных поверхностей технологического оборудования т. к. за расчётную принимается температура воды. охлаждаемой градирнях в наиболее теплое время.

‒ сооружение градирен сопровождается отчуждением больших территорий.

Утилизация теплоты оборотной воды с помощью тепловых насосов для целей теплоснабжения является одним из эффективных энергосберегающих технических решений.

Переход с открытой водяной системы охлаждения технологического оборудования, когда она охлаждается в градирнях, на закрытую, когда вода охлаждается в испарителях теплового насоса, на ряду с утилизацией теплоты для полезного её использования дополнительно позволит улучшить качество технического водоснабжения, снизить температуру охлаждающей воды, сократить расход свежей воды для охлаждения технологического оборудования.

Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов. В последние годы выбор хладагента для тепловых насосов стал одним из ключевых проблем. Это вызвано негативным влиянием на окружающую среду ХФУ и ГХФУ хладагентов.

С целью выбора наиболее оптимального хладагента выполнен аналитический анализ цикла работы теплового насоса на R134а, R22, R142в и R407с при различных температурах воды (от 20 до 30⁰С), поступающего в испаритель и горячей воды на выходе из конденсатора (от 55 до 65⁰С). На рис. 1–4 представлены основные расчетные зависимости цикла теплового насоса на указанных хладагентах.

Рис. 1. Зависимость теплопроизводительности теплового насоса от температуры горячей воды на выходе из конденсатора при температуре оборотной воды на входе в испаритель =25 ^oC

Рис. 3. Зависимость коэффициента преобразования (отношение количества полученной потребителем энергии к затраченной энергии) теплового насоса от температуры горячей воды на выходе из конденсатора при температуре оборотной воды на входе в испаритель =25 ^oC

Рис. 4. Зависимость коэффициента преобразования (отношение количества полученной потребителем энергии к затраченной энергии) теплового насоса от температуры оборотной воды на входе в испаритель при температуре горячей воды на выходе из конденсатора =65 ^oC

Использование ГХФУ 22 и ГФУ 407 ограничиваются температурой горячей воды на выходе из теплового насоса +50^оС по условиям допустимых давлений конденсации Р_К<2,3 МПа. В связи с этим применение для теплового насоса указанных хладагентов не возможно.

При одном и том же геометрическом объеме подачи компрессора теплопроизводительность Q_T на R134a больше чем на R142в на 8–10 %.

Коэффициент преобразования у R142в на 6–8 % больше чем у R134а.

С учётом того, что экологические свойства R134а (озоноразрущающий потенциал ОРП = 0) лучше чем у R142в (ОРП=0,05), а также с учётом наличия этого хладагента на внутреннем рынке, его применение является для данного конкретного случая более целесообразным.

Литература:

1. Бродянский В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. — М.: Энергия. 1973 г.;
2. Калнинь И. М. и др. Эффективное применение азеотропных смесей рабочих веществ в тепловых насосах. // Химическое и нефтегазовое машиностроение 2004 г. № 11.