Анализ эффективности различных типов тепловых насосов

Анализ эффективности различных типов тепловых
насосов
А. В. Попов, Институт теплофизики СО РАН (ИТ СО РАН)
Журнал «Проблемы энергосбережение» №1-2, август 2005г.
В последнее десятилетие в нашей стране наблюдается значительный интерес к
тепловым насосам (ТН). Это связано, в первую очередь, с ростом цен на энергоносители и
проблемами экологии. Этому способствует и зарубежный опыт.
Следует отметить, что за рубежом теплонасосная техника находит широкое
применение на протяжении уже более 30 лет. В России практическое использование ТН
находится в зачаточном состоянии. Такое положение с использованием ТН в России
связано как с объективными, так и с субъективными причинами.
В настоящее время на рынке имеются самые различные типы ТН. У специалистов
часто возникают проблемы с обоснованием применения и выбором оптимального типа ТН
для конкретного объекта. В данной статье приводится укрупненная классификация
наиболее распространенных типов ТН, методика анализа их эффективности, практические
советы по выбору типа ТН с учетом особенностей конкретного объекта.
Основные типы и классификация ТН
Тепловым насосом называется термодинамическая система (техническое
устройство), позволяющая трансформировать теплоту с низкого температурного уровня
на более высокий. Данные машины предназначены преимущественно для получения
горячей воды, воздуха, пригодных для отопления, горячего водоснабжения и других
целей.
Необходимым
условием
для
применения
ТН
является
наличие
низкотемпературного источника теплоты, по температурным параметрам не пригодного
для использования в качестве греющей среды на вышеуказанные цели.
В настоящее время определилось два основных принципиальных направления в
развитии ТН:
- парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН);
- абсорбционные тепловые насосы (АТН).
Парокомпрессионные тепловые насосы.
Существуют различные типы ПТН. По низкотемпературному источнику теплоты и
нагреваемой среде ПТН подразделяются на типы: «вода-вода», «воздух-вода», «воздухвоздух», «вода-воздух». По типу используемого компрессорного оборудования на
спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессорана электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, газовой или
паровой турбины.
В качестве рабочего тепла в данных машинах используются хладоны –
преимущественно фторхлорсодержащие углеводороды, Т.Н. фреоны.
Конструкции и принцип работы ПТН подробно описаны в [1].
Абсорбционные тепловые насосы.
АТН подразделяются на два основных вида - водоамиачные и солевые. В
водоамиачных машинах абсорбентом является вода, а хладагентом аммиак. В солевых
машинах абсорбентом является водный раствор соли, а хладагентом вода. В мировой
практике в настоящее время применяют преимущественно солевые ТН, в которых
абсорбентом является водный раствор соли бромистого лития (H2O/LiBr) – АБТН.
В АБТН процессы переноса теплоты совершаются с помощью совмещенных
прямого и обратного термодинамического циклов, в отличие от парокомпрессионных ТН,
в которых рабочее тело (хладон) совершает только обратный термодинамический цикл.
По отечественной классификации абсорбционные бромистолитиевые машины
подразделяются на повышающие и понижающие термотрансформаторы. В настоящей
работе
рассматривается
понижающий
термотрансформатор,
как
наиболее
распространенный тип.
По виду потребляемой высокотемпературной теплоты АБТН подразделяются на
машины:
- с паровым (водяным) обогревом;
- с огневым обогревом на газообразном или жидком топливе.
По термодинамическому циклу АБТН бывают с одноступенчатой или
двухступенчатой схемами регенерации раствора, а также двухступенчатой абсорбцией.
Схемы, конструкции различных типов АБТН и принцип их работы приведены в
работах[1,3,4 ].
Энергетическая эффективность ТН.
Парокомпрессионные и абсорбционные ТН для осуществления термодинамических
циклов потребляют различные виды энергии: ПТН- механическую (электрическую), АТНтепловую.
Для сравнения эффективности различных типов ТН необходим общий показатель.
Таким показателем может быть удельный расход топлива на выработку теплоты или
коэффициент его использования. Такой подход правомерен ещё и потому, что в России
базовыми электростанциями являются тепловые, работающие на органическом топливе.
Энергетическая
эффективность
ПТН
характеризуется
коэффициентом
преобразования энергии
φ = Qп /Qк
где Qп – произведенная теплота;
Qк – мощность в тепловом эквиваленте, затраченная на привод компрессора.
Величина коэффициента преобразования ПТН (φ) зависит, в основном, от
температур низкотемпературного источника теплоты и температуры нагреваемой среды
на выходе из ТН (рис.1). Чем больше перепад температур между нагреваемой и
охлаждаемой средами, тем ниже эффективность ПТН.
Рис. 1. Зависимость коэффициента преобразования φ ПТН от перепада температур
между нагретой водой (tW2) и охлажденной водой (tS2).
Эффективность АБТН характеризуется коэффициентом трансформации
М = Qп /Qг
где Qп – количество произведенной теплоты;
Qг – количество высокотемпературной теплоты, подведенной к генератору ТН.
Реальные коэффициенты трансформации АБТН приведены на рис. 2. В
зависимости от перепада температур между нагреваемой и охлаждаемой средами
применяют различные типы машин: с одно - или двухступенчатой схемами регенерации
раствора; с двухступенчатой схемой абсорбции
Рис. 2. Зависимость коэффициента трансформации М АБТН от перепада
температур между нагретой водой (tW2) и охлажденной водой (tS2).
1 – с двухступенчатой схемой регенерации раствора (М = 2,2).
2 – с одноступенчатой схемой регенерации раствора (М = 1,7).
3 – с двухступенчатой абсорбцией (М = 1,35).
В ПТН при использовании электроэнергии на привод компрессора от тепловой
электростанции удельный расход топлива (здесь и далее в тепловом эквиваленте) составит
В = 1/(φ·ηэл)
где η эл – КПД электростанции с учетом потерь электроэнергии в сетях (в России ~
0,32).
В ПТН при использовании в качестве привода компрессора двигателя внутреннего
сгорания или газовой турбины с утилизацией теплоты продуктов сгорания топлива
удельный расход топлива на выработку теплоты составит
В = 1/(φ · ηм + ηт)
где ηм – механический КПД привода;
ηт – тепловой КПД привода.
Удельный расход топлива на выработку теплоты в АБТН составит
В = 1/(М · η )
где η – КПД источника высокотемпературной теплоты или генератора ТН при
огневом обогреве.
Удельный расход топлива на выработку теплоты в котле составит
В = 1/η
где η – КПД котла.
Рассмотрим различные варианты автономного источника для получения горячей
воды. Для сравнения возьмем котел на органическом топливе и различные варианты
тепловых насосов (рис. 3).
Рис. 3. Энергетические балансы различных схем производства теплоты:
а) котел на органическом топливе;
б) ПТН с электроприводом от тепловой электростанции;
в) ПТН с приводом от ДВС или газовой турбины;
г) АБТН на газообразном или жидком топливе.
ПТН с электроприводом от тепловой электростанции при коэффициенте
преобразования φ<2,6–3 по сравнению с котлом экономию топлива не дает (меньшее
значение φ для котлов на твердом топливе, большее на газовом или жидком топливе). С
учетом более высоких по сравнению с котлом удельных капитальных вложений на ТНУ и
электрогенерирующие мощности использование ПТН с электроприводом может быть
экономически оправдано (приемлемый срок окупаемости дополнительных капитальных
вложений) при φ=4-5.
ПТН с приводом компрессора от двигателя внутреннего сгорания или газовой
турбины при утилизации теплоты продуктов сгорания топлива и системы охлаждения
двигателя дает экономию топлива уже при φ≥1,5. Однако экономическая
целесообразность применения данного типа ТН должна определяться на основе техникоэкономических расчётов, т.к. удельные капитальные затраты на данный тип ТН в
несколько раз выше затрат на котел. Применение ПТН с низким коэффициентом
преобразования приводит к неоправданно высоким срокам окупаемости капитальных
вложений.
АБТН всех типов по сравнению с котлом имеют удельный расход топлива на 40 ÷
55% ниже. Т.е. эффективность использования топлива в АБТН в 1,7-2,2 раза выше, чем в
котле. При этом себестоимость производимой в АБТН теплоты на 25-30 % ниже чем в
котле.
Особо следует рассмотреть эффективность использования ТН в составе ТЭЦ. В
условиях существующих ТЭЦ часто возникает необходимость увеличения мощности
теплофикационного отбора станции. Как правило, эту проблему решают установкой
дополнительных «пиковых» котлов. Теплофикационную мощность станции можно
существенным образом увеличить за счет применения ТН.
На рис. 4 показана схема применения АБТН в составе ТЭЦ. Такая схема позволяет
без изменения балансов и параметров пара в турбине значительно увеличить мощность
теплофикационной части станции без увеличения расхода топлива. При этом
себестоимость дополнительно произведенной теплоты при существующих ценах на АБТН
составляет 60-80 руб/Гкал, а срок окупаемости капитальных вложений не превышает 1-2
лет. Применение ПТН в данной схеме в любом случае будет иметь экономическую
эффективность значительно ниже, чем АБТН.
Некоторые авторы, ссылаясь на зарубежный опыт, в частности Шведский,
отмечают, что электроприводные ПТН применяют даже при φ<3. Действительно
некоторые теплонасосные установки в Швеции и других странах Европы имеют φ≤3 и
достаточно рентабельны (срок окупаемости 3-4 года). Это связано, в первую очередь, со
структурой электроэнергетики данных стран. В ряде Европейских стран базовыми
электрогенерирующими мощностями являются атомные и гидроэлектростанции, а значит
относительно дешевая электроэнергия. Поэтому ТНУ с электроприводом в данных
странах даже при φ≤3 экономически целесообразны, т. к. позволяют реально экономить
дорогостоящее органическое топливо, сократить вредные выбросы в окружающую среду,
экономить электроэнергию замещая, электрообогрев.
При выборе типа теплового насоса кроме энергетической и экономической
эффективности следует учитывать также особенности различных типов машин (срок
службы, воздействие на окружающую среду, ремонтопригоднрность, требуемая
квалификация обслуживающего персонала, возможность регулирования мощности в
широком диапазоне и т. д.).
С точки зрения воздействия на окружающую среду и безопасность АБТН имеют
явное преимущество перед ПТН, т.к. не используют хладоны- фторхлорсодердащие
углеводороды. В соответствии с Монреальским протоколм от 1987 года, фактически все
хладоны, используемые в ПТН, проходят более тщательный контроль на
«озонобезопасность», «парниковый эффект» и облагаются жесткими штрафами при их
неправильном применении и утилизации. В АБТН все процессы протекают под вакуумом
и в отличие от ПТН, они не подведомственны ГОСГОРТЕХНАДЗОРу.
АБТН имеют значительно больший срок службы, т. к. по существу являются
теплообменным оборудованием, высокую ремонтопригодность, мало шумные в работе.
К преимуществам ПТН с электроприводом следует отнести простоту их
энергоснабжения. На некоторых объектах это может быть определяющим фактором в их
пользу.
Для успешного развития работ по ТН в России имеются все предпосылки:
машиностроительная и сырьевая базы, научные и инженерные кадры, значительный
объём выполненных научно- исследовательских и опытно- конструкторских работ,
освоено производство многих типов ТН, имеется достаточно значимый опыт их
эксплуатации, практически неисчерпаемые низкопотенциальные источники теплоты.
В тоже время следует отметить, что, как показывает зарубежный опыт, широкое
применение энергосберегающих технологий может быть только при активном участии
государства, заключающее, главным образом, в создание законодательных и нормативных
актов, стимулирующих использование энергосберегающей техники.
Литература
1) В. Г. Горшков Тепловые насосы. Аналитический обзор //Справочник промышленного
оборудования, 2004, № 2.
2) А. Г. Корольков, А.В. Попов, А. Влад. Попов Абсорбционные бромистолитиевые
водоохлаждающие и водонагревательные трансформаторы теплоты //Проблемы
энергосбережения № 1 (14) февраль 2003.
3) Попов А. В. , Богданов А. И., Паздников А. Г. Опыт разработки и создания
абсорбционных бромистолитиевых тепловых насосов //Промышленная энергетика – 1999,
№ 8- с 38-43.
4) Бараненко А. В., Попов А. В., Тимофеевский Л. С., Волкова О. В. Абсорбционные
бромистолитиевые преобразователи теплоты нового поколения //Холодильная техника,
2001, № 4- с18-20.
5) Попов А. В. Система охлаждения и утилизации тепла дымовых газов
мусоросжигающих заводов //Очистка и обезвреживание дымовых газов на установках,
сжигающих отходы и мусор. - Новосибирск, 1999 - с121-132. Журнал "Проблемы
энергосбережения", август,2005г.
ООО "ОКБ Теплосибмаш", www.teplosibmash.ru