• Главная страница
• История
• Принцип действия
• Классификация
• Источники энергии
• Библиотека
• Обратная связь

Источники энергии

В теплонасосных установках используются низкопотенциальные источники энергии с температурой менее 50...70 °С, которые невоз­можно использовать в качестве греющей среды в обычном теплообменном оборудовании. Их можно разделить на источники естественного и искусственного происхождения. К естественным источникам относят:

-       теплоту атмосферного воздуха;

-       морскую воду прибрежных территорий;

-       теплоту грунта и грунтовых вод;

-       энергия солнца и т.д.

Сведения о некоторых источниках низкотемпературной теплоты

Теплота атмосферного воздуха. Использование теплоты воздуха ЌбесплатногоҐ источника теплоты является наиболее привлекательным в домашних приложениях теплового насоса для создания комфортных условий внутри дома. Он общедоступен и при­влек наибольшее внимание в массовом производстве.

Как источник теплоты воздух обладает рядом недостатков, поэтому требуется тщательная оптимизация конструкции в зависимости от мес­та установки. Характеристики теплового насоса ухудшаются по мере увеличения разности температур испарителя и конденсатора. По мере снижения температуры окружающего воздуха требуемое количество теплоты для отопления повышается, но способность тепло­вого насоса поддерживать даже постоянную тепловую мощность суще­ственно снижается. Для преодоления этого недостатка часто применя­ется дополнительный нагрев, чаше всего электрический (в США) и на органи­ческом топливе (в Европе). Выбор между ними определяется соотно­шением капитальных и эксплуатационных затрат. Если тепловой насос обеспечивает и воздушное кондиционирование летом, его размеры и мощность могут диктоваться именно этим применением.

Однако низкие значения температуры воздуха, малая его теплоем­кость и коэффициент теплоотдачи не позволяют достичь приемлемых показателей энергетической эффективности крупных установок, в част­ности теплонасосных станций, к испарителям которых требуется под­водить большие тепловые потоки.

Теплота грунта. В качестве источника низкопотенциальной теп­лоты могут использоваться грунтовые воды с относительно низкой тем­пературой (менее 50 °С) либо грунт поверхностных слоев Земли.

Тепловой режим грунта формируется под действием падающей на поверхность солнечной радиации и потоком теплоты из низких недр. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наруж­ного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации, не превышает 15...20 м. Далее, до глубин до 400 м, темпера­тура поддерживается 8... 10 °С, а затем идет повышение температуры примерно на 3 °С на каждые 100 м. Величина потока теплоты из земных недр для различных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05...0,12 Вт/м².

Теплота водоемов. Крупные незамерзающие водоемы представ­ляют ценность в качестве источников теплоты для ТНУ. К ним, напри­мер, относятся Черное море, Каспийское море в средней и южной час­тях. На Черноморском побережье Кавказа и Крыма действуют ТНУ на морской воде, температура которой зимой в этих районах не опускается ниже 8 °С. Особенно эффективно круглогодич­ное использование теплоты морской воды (с температурой летом 20...25 °С) для ТНУ горячего водоснабжения, составляющего значи­тельные нагрузки в южных городах и курортах.

Морская вода прибрежных территорий представляется в некото­рых случаях отличным источником тепла и используется главным обра­зом в средних и крупных системах. В зависимости от географического положения морская вода на глубине от 25 до 50 м имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 °С. Особенностью таких систем является то, что теп­лообменники и насосные агрегаты должны иметь стойкость к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера. Это довольно перспективный источник энергии низкого потенциала для ТНУ.

Энергия солнца. Все источники теплоты для тепловых насосов в той или иной мере подвержены влиянию солнечной энергии, но ее можно использовать и непосредственно с помощью солнечных коллек­торов. Вместе с другими источниками тепла для тепловых насосов широ­ко применяют плоские коллекторы, размещенные на крышах. Вообще солнечные коллекторы интенсивно изучаются для применения не толь­ко с тепловыми насосами, но и самостоятельно, а также в схемах с ак­кумуляторами тепла. Последние представляют интерес и для тепловых насосов как источник тепла в облачные дни или ночью.

Давая тепло в испаритель при температуре более высокой, чем окружающий воздух, грунт или вода, солнечные коллекторы повышают характеристики теплового насоса.

Обычно промежуточный теплоноситель (вода) передает тепло от коллектора к испарителю. Но может быть и полное совмещение коллек­тора с испарителем, где хладагент испаряется непосредственно внутри трубок солнечного коллектора.

Основными источниками теплоты для крупных ТНУ следует счи­тать искусственные источники: тепловые отходы технологических про­изводств, коммунальных, бытовых, жилых и других объектов — или вто­ричные энергетические ресурсы (ВЭР).

По виду ВЭР разделяются на три основные группы:

1)  горячие (топливные) отходящие газы печей; отходы, непригод­ные для дальнейшей технологической переработки;

2) тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов техноло­гических агрегатов; физическая теплота основной, побочной, промежу­точной продукции и отходов основного производства; теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических силовых установках;

3)  ВЭР избыточного давления, потенциальная энергия газов и жид­костей, потенциал которой необходимо снижать перед последующей сту­пенью использования жидкостей (газов) или выброса их в атмосферу.

Вопросы экономии топлива путем использования ВЭР в последние годы превратились в актуальную проблему и являются общегосударст­венной задачей. Промышленные потребители полезно используют в настоящее время свыше 60 % всего добываемого топлива и около 70 % всей вырабатываемой электроэнергии. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах остается все еще невысоким и составляет лишь 35. ..40 %.

Быстрый рост потребления энергоресурсов влечет за собой как ис­тощение природных богатств, так и тепловые загрязнения биосферы. Например, тепловые электростанции, в том числе и АЭС, сбрасывают с охлаждающей водой 50...55 % энергии топлива. Иногда решающим фактором в выборе площадки для строительства ТЭС (АЭС) оказыва­ется наличие естественных водоемов, способных без особого ущерба воспринять бросовую теплоту.

Промышленные предприятия потребляют огромное количество воды для охлаждения машин и рабочих тел в различных технологиче­ских процессах. Эти Ќтепловые рекиҐ имеют круглый год температуру 20...40 °С, практически не позволяющую использовать теплоту непосредственно, и охлаждаются в градирнях или других испа­рительных охладителях, отдавая в атмосферу вместе с теплотой часть воды. При замене градирен испарителями ТНУ степень охлаждения воды (перепада температуры) при сохранении ее расхода должна оста­ваться в среднем около 10 °С.

Следует отметить, что большинство предприятий химической, нефтехимической и других отраслей промышленности являются хладоемкими производствами и одновременно характеризуются наличием достаточно большого количества неиспользуемых ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т.п. Но, решая во­прос о рациональном и эффективном использовании ВЭР, нельзя за­бывать о том, что наряду с получением холода могут быть осуществле­ны также процессы трансформации теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий и наоборот.

Ко­эффициент полезного действия энергетических установок, сжигающих органическое топливо, составляет 40...50 %, остальное количество энергии топлива поступает в окружающую среду в виде потерь с ухо­дящими газами и охлаждающей водой. Суммарная мощность всех электростанций мира составила более 1,5 млрд. кВт. Таким образом, мощность тепловых потерь электростан­ций составляет до 0,7 млрд. кВт. Температура охлаждающей конденса­торы воды на выходе составляет 8...25 °С. Использовать этот мощный низкопотенциальный источник можно только с помощью теплонасосных установок.

Промышленные выбросы тепловой энергии также значительны. Только промышленностью США сбрасывается ежегодно до 1019 Дж теп­лоты с температурой до 100 °С. Это потенциальные источники теплоты для промышленных тепловых насосов с хладагентами в качестве рабочего тела.

Для решения вопроса о целесообразности применения теплового насоса необходимо принять во внимание:

-   совпадение по времени выхода сбросных тепловых потоков и по­требления теплоты;

-       место выхода сбросных тепловых потоков и место потребления теплоты;

-       фазу носителей сбросной теплоты (твердую, жидкую, газообраз­ную);

-       расход сбросных потоков и потребной теплоты;

-       потенциал сбросной и потребной теплоты.