А. В. Попов, Институт теплофизики СО РАН (ИТ СО РАН)

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», «воздух-воздух», «вода-воздух». По типу используемого компрессорного оборудования на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессора- на 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 .

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 (H 2 O/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.

Энергетическая эффективность ТН.

Парокомпрессионные и абсорбционные ТН для осуществления термодинамических циклов потребляют различные виды энергии: ПТН- механическую (электрическую), АТН- тепловую.

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

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 (t W2) и охлажденной водой (t S2).

Эффективность АБТН характеризуется коэффициентом трансформации

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 (t W2) и охлажденной водой (t S2).

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

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 технико- экономических 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.

| скачать бесплатно Анализ эффективности различных типов тепловых насосов , Попов А. В. ,

Абсорбционные тепловые насосы направляют тепловую энергию из среды с низкой температурой в среду со средней температурой с помощью высокопотенциальной энергии. Для перекачки тепла АБТН Thermax в качестве источника высокопотенциальной энергии используют водяной пар, горячую воду, выхлопные газы, топливо, геотермальную энергию или их сочетание. Такие тепловые насосы экономят около 35% тепловой энергии.

АБТН Thermax широко применяются в Европе, Скандинавии и Китае для централизованного теплоснабжения. Тепловые насосы также применяются в следующих отраслях промышленности: текстильной, пищевой, автомобильной, в производстве растительных масел и бытовой техники. По всему миру компанией Thermax установлены тепловые насосы суммарной мощностью более 100 МВт.
Абсорбционный тепловой насос на газе, абсорбционный тепловой насос на паре

Технические характеристики:

• Мощность: 0,25 – 40 МВт.
• Температура нагреваемой воды: до 90ºC.
• Высокопотенциальные источники тепла: выхлопной газ, водяной пар, горячая вода, жидкое/газообразное топливо (отдельно или совместно).
• Холодильный коэффициент: 1,65 – 1,75.

Тепловые преобразователи

В абсорбционном тепловом насосе второго типа, также известном, как тепловой преобразователь, среднепотенциальное тепло преобразуется в высокопотенциальное тепло. При помощи теплового преобразователя бросовое тепло можно утилизировать и получать высокопотенциальное тепло.

Источник тепла на входе, то есть, бросовое тепло средней температуры, подается в испаритель и генератор. Полезное тепло более высокой температуры выделяется в абсорбере. Такие тепловые преобразователи могут достичь температуры на выходе до 160ºC, как правило, с перепадом температуры до 50ºC.

Компания Thermax недавно ввела в эксплуатацию тепловой преобразователь на предприятии компании Asia Silicone в западной части Китая. Предприятие производит полимерную пленку для фотоэлементов солнечных батарей, в данном процессе используется вода с температурой 100ºC. В ходе процесса вода нагревается до 108ºC. Далее вода охлаждается до 100ºC в сухой градирне, при этом тепло выбрасывается в атмосферу. При помощи теплового преобразователя 45% располагаемого тепла преобразуется в водяной пар с давлением 4 бар, который используется в технологическом процессе.

Технические характеристики:

• Мощность: 0,5 – 10 МВт.
• Температура горячей воды: до 160ºC.
• Среднепотенциальный источник тепла: водяной пар, горячая вода, жидкое/газообразное топливо (отдельно или совместно).
• Холодильный коэффициент: 0,4 – 0,47.

Презентация по применению АБТН

Может ли замерзнуть вода в скважине?Нет, вода не замерзнет, т.к. и в песчаной, и в артезианской скважине вода находится ниже точки промерзания грунта. Можно ли в песчаную скважину системы водоснабжения установить трубу диаметром больше 133 мм (у меня насос под большую трубу)?Не имеет смысла при обустройстве песчаной скважины устанавливать трубу большего диаметра, т.к. производительность песчаной скважины небольшая. Для таких скважин специально предназначен насос «Малыш». Может ли проржаветь стальная труба в скважине водоснабжения?Достаточно медленно. Так как при обустройстве скважины загородного водоснабжения производится её гермитизация, в скважину нет доступа кислорода и процесс окисления идет очень медленно. Какие бывают диаметры труб для индивидуальной скважины? Какова производительность скважины при различных диаметрах труб?Диаметры труб для обустройства скважины на воду:114 - 133 (мм) - производительность скважины 1 - 3 куб.м./час;127 - 159 (мм) - производительность скважины 1 - 5 куб.м./час;168 (мм) - производительность скважины 3 - 10 куб.м./час;ПОМНИТЕ! Необходимо, что бы н...

АБТН являются высокоэффективным энергосберегающим оборудованием для теплоснабжения различных объектов и предназначены для нагрева воды до 50 - 90 о С, с использованием в качестве источника энергии теплоты греющего пара с давлением до 0,75 МПа или топлива - природного газа, а также низкопотенциальной сбросной или природной теплоты от различных источников с температурой 20-40 о С. Доля дешевой низкопотенциальной теплоты, используемой в АБТН для выработки полезной теплоты составляет около 40 %. АБТН имеют исключительные потребительские свойства: высокую эффективность, экологическую чистоту, низкий уровень шума при работе, простоту в обслуживании, длительный срок службы, полную автоматизацию. Для АБТН не требуется больших количеств электроэнергии, как для парокомпрессорных тепловых насосов. Рабочим веществом (хладагентом) в АБТН является вода, абсорбентом - водный раствор соли бромистого лития.

АБТН могут использоваться для получения горячей воды на нужды отопления и горячего водоснабжения, для нагрева и охлаждения технологических сред в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и т.д.

Устройство и принцип действия

В состав АБТН входят тепломассообменные аппараты различного назначения, соединенные контурами для циркуляции хладоагента и абсорбента. Теплообменные поверхности аппаратов выполнены в виде горизонтальных пучков из тонкостенных медноникелевых теплообменных труб. Все оборудование машин скомпановано в единый агрегат на опорной раме, поставляемый заказчику в сборе в полной заводской готовности. Принцип действия АБТН основан на способности раствора абсорбента поглощать водяные пары, имеющие более низкую температуру чем раствор. Хладагент - вода кипит под вакуумом на трубном пучке испарителя, за счет теплоты, отводимой от циркулирующей в трубках охлаждаемой среды (источника низкопотенциальной теплоты). Водяные пары поглощаются раствором абсорбента на трубном пучке абсорбера с выделением теплоты, которая отводится циркулирующей в трубках нагреваемой водой. Разбавленный раствор из абсорбера откачивается в генератор, где на трубном пучке осуществляется регенерация (выпаривание) поглощенных в абсорбере водяных паров, за счет теплоты греющего теплоносителя. Сконденсированные нагреваемой водой в конденсаторе водяные пары хладоагента возвращаются в испаритель, а концентрированный раствор - в абсорбер.

Отличительной особенностью российских АБТН нового поколения являются:

низкая удельная металлоемкость;

высокая компактность;

длительный срок службы;

полная заводская готовность.

Новые высокоэффективные ингибиторы коррозии обеспечивают практически 100%-ную защиту от коррозии всех элементов конструкции.

Номинальные параметры и характеристики

Тепловые насосы	Тепловая мощность /утилизируемая теплота, кВТ	Расход тепла: Пара, кг/ч; Природного газа, м 3 /ч	Расход воды,м 3 /ч: нагреваемой/ охлаждаемой	Расход электроэнергии, кВт	Габариты: дл.,шир., выс, м	Масса сухая, т
Тепловые насосы с паровым обогревом
АБТН-600П	1725/660	1540	45/115	4,5	5,1-1,55-2,9	8
АБТН-1000П	3300/1260	2900	87/217	8	6,5-2,0-3,0	12
АБТН-1500П	5000/1860	4300	128/320	12	7,5-2,3-3,2	18
АБТН-3000П	8300/3200	7400	225/550	14	7,5-2,8-3,75	29
АБТН-4000П	11000/4260	9900	300/610	16	9,5-2,8-3,75	37
Тепловые насосы с газовым обогревом
АБТН-600Т	1745/660	140	50/115	7,2	4,86-2,72-2,9	11
АБТН-1000Т	3300/1260	200	87/217	11	6,5-2,7-2,9	13
АБТН-1500Т	5000/1860	295	126/320	17,5	7,5-3,2-3,0	20
АБТН-3000Т	8300/3200	510	300/610	23,5	7,5-3,8-3,3	21

Номинальные параметры теплоносителей:

Температуры, вход/выход: охлаждаемая вода - 30/25 о С;

нагреваемая вода - 40/70 о С;

Давление греющего пара - 0,5 МПа абс;

Теплотворная способность природного газа - 35,8 МДж/нм 3 .

Скачать краткую информацию по АБТН. Листовка (1,3 Мб), pdf.

Схемы использования АБТН

Выработка тепла и холода

Работа тепловых насосов основана на способности концентрированного водного раствора бромистого лития абсорбировать (поглощать) водяной пар с выделением теплоты. Температура абсорбции выше температуры конденсации пара при том же давлении. В результате, появляется возможность "отобрать" теплоту у низкотемпературного теплового источника и передать её нагреваемой воде с более высоким температурным уровнем. Все процессы в машине протекают под вакуумом, в замкнутом цикле. Для регенерации раствора бромистого лития и требуется источник высокопотенциальной тепловой энергии. В качестве источника тепловой энергии применяются: водяной пар (АБТН - П), теплота сгорания топлива (АБТН - Т) . Теплота, необходимая для регенерации раствора бромистого лития, также передается нагреваемой воде. При этом удельный расход высокопотенциального тепла в тепловом насосе по сравнению с обычным котлом снижается в 1,7 раза.

Для примера приводятся схемы теплового баланса тепловых насосов и водогрейного котла на топливе.

В тепловых насосах конструкции "ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ" используются высококачественные комплектующие, конструкционные материалы и специальные ингибиторы коррозии, обеспечивающие срок службы не менее 20 лет. Машины по качеству и основным параметрам соответствуют мировому уровню.

ООО "ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ" предлагает абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы с паровым и огневым обогревом нового поколения собственной конструкции Производятся на отечественных предприятиях По качеству и основным параметрам соответствуют мировому уровню.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ КОНСТРУКЦИИ "ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ" ЭТО:

• высокая эффективность, исключительная компактность, экологическая чистота,
• бесшумность при работе, простота в обслуживании;
• применение высококачественных конструкционных материалов теплообменных поверхностей (медноникелевые сплавы);
• высокая вакуумная плотность, высокоэффективные ингибиторы коррозии, срок службы машин не менее 20 лет;
• полная автоматизация, обеспечивающая экономичный режим работы машин в диапазоне 30-100 % мощности;
• компоновка машины в единый агрегат на опорной раме, поставка заказчику в сборе в полной заводской готовности;
• отсутствие динамических нагрузок, монтаж на площадке, рассчитанной только на статическую нагрузку от веса машины.

Представляется весь комплекс инженерных услуг при проектировании холодильных станций, проведении монтажных, пуско-наладочных работ, подготовке обслуживающего персонала, гарантийное обслуживание поставляемого оборудования.