ВИРОБНИЦТВО ХОЛОДУ І ТЕПЛОТИ У СХЕМАХ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ВЗАЄМОДІЇ ХОЛОДИЛЬНИХ І ТЕПЛОНАСОСНИХ УСТАНОВОК

Аналізується доцільність впровадження теплонасосних технологій для виробництва низькопотенційної теплоти на обладнанні існуючих холодильні станції. Наведено схему, яка може дати суттєвий енергетичний ефект.

Зростаючий дефіцит енергоресурсів, зростання цін на тверде, рідке та газоподібне паливо диктують необхідність впровадження енергозберігаючих технологій, створення нової енергозберігаючої техніки та залучення до паливно-енергетичного балансу вторинних енергоресурсів та нетрадиційних природних джерел енергії на базі теплонасосних установок (ТНУ) Досить докладний огляд сучасного використання ТНУ представлений у [1].

Відомо, що для реалізації технологічних процесів у хімічній, харчовій та деревообробній промисловості, у технологічних процесах виробництва, переробки та зберігання сільськогосподарської продукції потрібні значні кількості низькопотенційної теплової енергії. У застосовуваних тут системах тепло- та холодопостачання використовуються, як правило, роздільні схеми отримання теплоти та холоду в автономних котельних, теплогенераторах,  електронагрівачах та холодильних машинах відповідно. При цьому теплота Конденсація робочого тіла холодильних машин нерідко розглядається як відходи, що не підлягають утилізації, а спалювання  дефіцитного органічного палива відбувається в низькоефективних котельнях або індивідуальних топкових агрегатах і пов'язано з   забрудненням довкілля.

Зважаючи на те, що більшість із зазначених споживачів теплоти та холоду у багатьох випадках самі є джерелами низькопотенційного вторинного тепла, а також та обставина, що часто трапляється необхідність одночасного виробництва та застосування теплоти та холоду, впровадження високоефективних та екологічно чистих енергоджерел на базі теплонасосних установок (ТНУ) є найбільш актуальним. Виконані розрахункові дослідження та аналіз   багатого світового досвіду впровадження та експлуатації ТНУ різного функціонального призначення, що підтверджують доцільність їх   застосування з метою економії енергоресурсів,  комплексного рішення   екологічних та соціальних проблем у багатьох галузях економіки.

Існуючі системи споживання холоду в хімічній та молочноїй  промисловості, на м'ясокомбінатах та на підприємствах пивоваріння та охолодження складських приміщень тощо є являются енергоємними і найчастіше оснащені морально та фізично застарілим обладнанням. Наприклад, у хімічній промисловості працюють холодильні станції, що містять по шість турбокомпресорних агрегатів з електричною потужністю кожного 1500 кВт, на пивоварних заводах холодильні станції оснащені десятками гвинтових або поршневих компресорів електричною потужністю 20-50 квт. Більшість холодильних станцій сьогодні модернізуються та переоснащуються новим сучасним обладнанням.

Аналіз енергопотоків у зазначених системах показує, що існує досить велика область можливого використання ТНУ замість традиційно використовуваних тут теплогенераторів на органічному паливі або електрогенераторів. При цьому виробництво низькопотенційного тепла для систем теплопостачання може виконуватися на звільнених потужностях холодильних машин, які вивільняються через зниження потреби у холоді внаслідок перебудови основного виробництва, чи внаслідок модернізації системи хладоснабжения. При цьому, крім енергозбереження, підвищується також коефіцієнт використання дорогого обладнання для холодильних машин.

Сьогодні у світі [2] спеціальне обладнання для ТНУ не виробляється і мільйони успішно експлуатованих установок створено на елементній базі холодильних машин (ХМ) та автономних кондиціонерів. Разом з тим, умови роботи основного обладнання холодильних машин та теплових насосів різні. Основна відмінність роботи теплонасосного компресора наприклад, полягає в тому, що температура і тиск робочого тіла в наприкінці процесу стиснення вище, ніж у холодильних компресорах і час безперервної його роботи суттєво більше. Однак, якщо не йдеться про оптимальні умови  експлуатації, то переведення роботи ХМ в режим роботи ТМ не становить особливих технічних труднощів.

Енергетична ефективність використання альтернативного джерела виробітку теплоти в порівнянні з її виробництвом, наприклад, у парогенераторах або котельнях може бути оцінена показником , де К_а – коефіцієнт перетворення первинної енергії альтернативного джерела на теплоту. Загалом , де Q_з витрачена енергія первинного палива, Q_пчастина витраченої енергії, перетвореної на теплову та передану тепловому споживачеві.

Наприклад, якщо в якості первинної енергії розглядається органічне паливо при його спалюванні в парогенератори з масовою витратою В_т  та теплотворною здатністю палива Q_н^р, тоQ_з = В_т Q_н ^р, а  Q_п=Q_зпг η_тр. Тут η_пгта  η_тр  відповідно  ККД парогенератора та транспорту теплоти. Звідси К_пг   =  η_пг η_тр .

У такій інтерпретації коефіцієнт використання первинної енергії при електоронагріві оцінюється ефективністю перетворення первинної енергії природного палива на електричну енергію на електростанції η_ес,  втратами енергії при транспортуванні електроенергії η_ЛЕП   та внутрішнім ККД перетворення електричної енергії на теплову  η_е  за формулою К_л = η_ес η_ЛЕП η_е .

З виразу для y наочно випливає неефективність прямого перетворення електричної енергії на теплову. Прийнявши η_пг = 0,87; 
η_тр= 0,95;  η_ес = 0,38;  η_ЛЕП=0,95; η_е= 0,995, получим  ψ = 0,435.

Для парокомпресійного теплового насоса з приводом електродвигуна  очевидно, що якщо b - коефіцієнт перетворення ТНУ, що дорівнює відношенню генерованої теплопродуктивності до витраченої електричної енергії, то К_тн = b η_ес η_ЛЕП, та енергетична доцільність впровадження ТН як альтернативи традиційним теплогенераторам буде забезпечена при ψ>1,звідки випливає, що дійсна величина теплового насоса повинна бути b> 2,29.

Для орієнтовного визначення величини b залежно від температур конденсації Т_к та випаровування Т₀,можна прийняти формулу, отриману на основі випробувань поршневих холодильних компресорів, що працюють з легкокиплячими рідинами [3]:

.

Представивши цю залежність графічно, лініями мінімально допустимої величини b =2,29 та ізотерми t_к =50 ^оС (рівень температур придатний для системи гарячого водопостачання або системи повітряного опалення приміщень із застосуванням теплообмінних апаратів типу
Fan-coil), визначається зона параметрів конкурентоспроможної заміни теплогенераторів на органічному паливі тепловими насосами (див. рис. 1). Вища температура випаровування T₀ або температура джерела низькопотенційної теплоти T _інт і менша різниця температур  (T_к – T₀) сприяють конкурентоспроможності систем на базі ТНУ.

Рис. 1 - До визначення зони робочих температур доцільного використання ТН

Слід наголосити, що попередня оцінка зони енергетичної конкурентоспроможності ТНУ, важлива при проектуванні систем теплопостачання різного призначення та дозволяє уникнути помилки при визначенні доцільності впровадження теплонасосної технології отримання теплоти замість традиційної.

З економічного погляду застосування теплонасосної техніки виправдовується, якщо вартість заощадженої енергії (палива) перевищує  збільшення неенергетичної частини наведених річних витрат (капітальних витрат, витрат на обслуговування та ремонт [4]. Для електроприводних  теплових насосів це можливо, если

,

где ξ_ел та ξ_тн відповідно вартість електроенергії та замінного палива в перерахунку на його теплотворну здатність,  грн/кВт·ч.

Виконання цієї умови великою мірою визначається співвідношенням тарифів на електроенергію та паливо ξ_ел/ξ _тн. Розрахунки показують, що за  ξ_ел/ξ_тн<2,5  термін окупності ТН техніки складає
2-3 роки. В «країні теплових насосів» Швеції ставлення  ξ_ел/ξ_тн складає 1,3, у Німеччині 2,2. У країнах колишнього СНД це ставлення було на рівні 10, що було однією з причин невигідності широкого застосування електроприводних ТН, незважаючи на значну економію первинної енергії. Слід очікувати, що перехід України на світові ціни з розрахунку за енергоресурси сприятиме дійсному впровадженню енергозберігаючих технологій загалом та теплонасосних технологій виробництва теплоти зокрема.

У багатьох областях можливість використання тепла від конденсаторів холодильних машин, що працюють, успішно реалізується   з різним ступенем ефективності залежно від пріоритету застосування теплоти чи холоду. З енергоекономічної точки зору  найбільш ефективними є системи комбінованого вироблення холоду та теплоти у разі одночасного їх споживання..

Енергетичний показник ефективності одночасного вироблення теплоти Q_т та холоду Q_х на тому самому обладнанні представляє відношення корисно використовуваних кількостей теплоти та холоду установкою ХМ-ТН до споживаної електричної енергії на привід компресорів, водяних насосів, повітряні вентилятори.

.

Розрахунки показують, що в оптимальному режимі роботи установки ХМ-ТН при  t₀= -10^оС и  t_к= 40-50 ^оС  показник ζ  досягає величини 5,5  більш ніж у 2 рази перевищуючи нижчу межу доцільного використання  ТН.

У спеціальній літературі пропонується велика кількість варіантів компонування обладнання тепло- та холодосистем [5].  При виборі схемних варіантів виконується аналіз споживання та виробництва теплоти та холоду у добовому та річному режимах. Установча потужність машин приймається зазвичай за необхідним холодильним навантаженням, а кількість необхідної теплоти балансується установкою доводчиків чи акумуляторів, введенням рециркуляції чи внутрішньої утилізації енергопотоків.

Завдяки використанню акумулятора  можна також знизити потужність теплового насоса (холодильної машини) у період короткочасного пікового навантаження.

У технологічних процесах підприємств хімічної та харчової промисловості, на м'ясокомбінатах та на об'єктах комунального господарства, великих молочних фермах тощо. часто потрібна вода двох температурних рівнів. У тих випадках, коли потрібна значна кількість тепла при порівняно низьких температурах (35–40^оС) дуже ефективно спільне отримання холоду і тепла на аміачних холодильних машинах з дотискуючим термокомпресор, який є основним елементом теплонасосної установки (рис. 2).

Установка може працювати як звичайна холодильна машина, не роблячи тепла. У цьому випадку термокомпресор не працює (вентиль 12 закритий) та аміак здійснює звичайний холодильний цикл. За потреби комбінованого виробництва холоду та теплоти включається термокомпресор (вентиль 12 відкривається і вентиль 11 закривається). Вода підігрівається в конденсаторі ХМ, в охолоджувачі аміаку після стиснення в основних компресорах, потім в охолоджувачі перегріву пари та конденсаторі термокомпресора. Охолодження аміаку після основних компресорів дозволить уникнути високих температур після термокомпресора та отримати задовільні значення коефіцієнта подання. Спільне виробництво холоду за температури – 10^оС та теплої води з температурою до 40 ^о С за даною схемою дозволить отримати b теплового насоса більше 4,6 при цьому тиск парів аміаку після термокомпресора приблизно 15–16 бар.

 

Рис. 2 - Пропонована схема встановлення спільного отримання холоду та теплоти з термокомпресором

1 – випарник ХМ , 2 –холодильний компресор, 3 – конденсатор ХМ,
4 – термокомпресор, 5 – конденсатор ТН,  6 – охолоджувач аміаку проміжний,  7 – охолоджувач перегріву парів аміак, 8 – акумулятор холоду, 9 – до споживача холоду, 10 – тепла вода, 11, 12 – вентилі

 

За вказаною схемою в принципі можна отримати і більш високі температури води, наприклад, використовуючи двоступінчастий термокомпресор, однак це пов'язано з підвищенням тиску парів аміаку до 30-38 бар вимагатиме спеціального обладнання. Невелику кількість гарячої води можна отримати в аміачному пароохолоджувачі, але треба пам'ятати, що ця частка теплоти становить 15–20 % від холодопродуктивності. Слід зауважити, що використання теплоти перегріву пари у аміачних компресорів дає більший ефект, ніж у фреонових внаслідок більш високої температури (до 100^оС і більше) перегрітого аміаку наприкінці стискування.

Очевидно, що далеко не завжди на існуючих холодильних машинах, навіть при встановленні термокомпресора, може бути повністю задоволена потреба у низькопотенційній теплоті. Однак при правильно організовану спільну роботу ХМ і ТН може бути отримана досить значна економія палива.

Висновки.Розробка систем тепло- та холодопостачання за схемою переведення роботи ХМ у режим ТН є ефективним способом енергозбереження та охорони навколишнього середовища. Об'єднання у єдині комплекси ХМ та ТН дозволяє створити безвідходні технології в системах споживання теплоти на різних температурних рівнях.

Проте звабливий висновок про абсолютну доцільність заміни традиційних способів одержання тепла шляхом впровадження теплонасосних технологій невірний. Тільки на основі ретельного техніко-економічного аналізу, що враховує велику кількість факторів, може бути визначена доцільність такої заміни у кожному конкретному випадку.

Література

1. Товажнянський Л.Л., Капустенко П.А., Хавін Г.Л., Арсеньєва О.П. Теплові насоси в системах теплопостачання // Інтегровані технології та ресурсозбереження. - 2005.- №4. - С. 3-10.

2. Пєтін А.Ю. Теплові насоси у теплопостачанні // Новини теплопостачання. – 2001. – №11. – С. 42-49.

3. Проценко І.П., Радченко В.О. Коефіцієнт перетворення парокомпресійних теплових насосів // Теплоенергетика. - 1988. - N 8.- С.51-53.

4. Калнінь І.М.  Техніка низьких температур службі енергетики // Холодильна техніка.- 1995.- №1. – С.26-29.

5. Мартиновський В.С. Теплові насоси - М.Л.: Держенерговидав, 1955. - 191 с.