Тепловые насосы. Применение для целей энергосбережения

Министерство  образования и науки Российской Федерации

  Федеральное  государственное автономное образовательное  учреждение

  высшего  профессионального образования

    «Уральский  Федеральный Университет имени  первого президента России Б.Н.   Ельцина»

«Тепловые насосы. Применение для целей энергосбережения»

Реферат

Преподаватель          _______________________            В.Ю. Балдин

            Студент

            гр. Мт-301501            ________________________              А.С. Семёнов

Екатеринбург 2012

Содержание

Введение

История существования  гидравлических машин насчитывает  несколько тысячелетий. Первый насос  был поршневым, появился, по-видимому, за несколько веков до нашей эры в странах древней культуры. Изобретение этого насоса связано с созданием водоподъемных устройств. Поршневой насос был хорошо известен в Древней Греции и Риме.

Изобретение центробежного  насоса приписывается итальянцу Д. Жордану, давшему первый рисунок такого насоса. Одной из первых удачных конструкций центробежного насоса является насос французского физика Д. Папена, предложенный им в 1689 г. Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на верхней действием центробежной силы самой воды. Таким образом, достигалась подача воды на некоторую высоту.

Классическая  схема и конструкция одноколесного  центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом (США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846 г. Исследования Андеревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г.

Знаменитый  ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию  многоступенчатого насоса, ввел в  нее прямой и обратный направляющие лопаточные аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Широкое распространение  центробежных насосов стало возможным  только на основе применения электрической  энергии и, в частности, при использовании электродвигателя трехфазного переменного тока, разработанного инженером В. О. Доливо-Добровольским (Россия, 1888 - 1889 гг.) К этому времени относится изобретение русским инженером В. А. Пушечниковым специального малогабаритного насоса для подъема подземных вод с больших глубин.

В России внедрение  насосов в промышленность непосредственно  связано с развитием горно-рудного  дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера  горного дела применяли установки  с поршневыми насосами для откачки  воды из шахт.

В 18 в. был изобретен паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел основополагающее уравнение жидкости, которое носит его имя. В 1750 г. Л. Эйлер впервые сделал математический анализ рабочего процесса, происходящего в центробежном насосе и реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего процесса турбомашин.

Примерно с  начала 20-х годов 19-го века изменилось само назначение насосов. Если первоначально  они предназначались только для  подъема воды, то с этого времени  они все шире применяются для  перемещения жидкостей с различными вязкостью и концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с различными степенью агрессивности и температурой.

Машины для  перемещения воздуха и газов  появились значительно позже  насосов. Изобретателем воздушного поршневого нагнетателя - прототипа современных компрессоров с одной ступенью сжатия - считается немецкий физик О. Герике(1640г.).

В настоящее  время отечественная промышленность выпускает насосы всех типов, необходимые  для народного хозяйства страны, начиная от миниатюрных микронасосов для медицинской техники и кончая гигантскими осевыми насосами для ирригационных систем и энергетики.

Модернизация  конструкции насосов направлена на снижение металлоемкости при одних  и тех же параметрах насосов, обеспечение  наибольшей унификации узлов и деталей насосов, что позволяет расширять номенклатуру насосов без существенных дополнительных затрат на их производство. Большое внимание уделяется повышению качества и надежности насосов, что позволяет экономить энергетические ресурсы и снижать трудоемкость их эксплуатации и ремонта.

1. Понятие теплового насоса, классификация и область применения

Тепловой насос - термодинамическая установка, в  которой теплота от низкопотенциального  источника передается потребителю  при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

Большую перспективу  представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом  цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.  
Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);  
• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);  
• наружный воздух.  
В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:  
• удаляемый вентиляционный воздух;  
• канализационные стоки (сточные воды);  
• промышленные сбросы;  
• тепло технологических процессов;  
• бытовые тепловыделения.

Таким образом, существуют большие потенциальные  возможности использования энергии  вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также  обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей  степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

Существуют  разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две  основных категории:

• тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;

• интегрированные  системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей  санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.

Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение  тепловых насосов класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.

В Германии и  других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей  самый широкий - от 5 до 70 кВт.

По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.

В жилом фонде  имеется 3 млн. установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель небольшой - около 1 %. Хотя очевидно, что установленные в торгово-административном фонде 1,2 млн. агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.

Примерно 77 % установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82 %. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды.

2. Цикл теплового насоса

Рис. 1. Цикл теплового  насоса в s - T-диаграмме.

Теплообмен  между рабочим телом и источником высокой температуры протекает при конечной разности температур необратимо. В результате такого теплообмена увеличивается энтропия:

(Sd - Sc) - (S2 - S3) = ∆S

Площадь под  процессом 4 - 1, характеризующая количество подведенного тепла к рабочему телу, равна площади е - 4' - 5 - к, следовательно, процесс 5 - 4' характеризует убывание энтропии окружающей среды:

(S1 - S4) - (S5 - S4') = ∆S1 > 0

Степень термодинамического совершенства этого цикла, как и  в холодильном цикле, характеризуется коэффициентом обратимости. Для энергетической оценки цикла вводят коэффициент преобразования (трансформации)

j = Q / L или j = E + 1

Если холодильная  машина работает по теплофикационному  циклу, то для энергетической оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный, границей между которыми является температура окружающей среды.

3. Примерная схема теплоснабжения с помощью теплового насоса

Тепловые насосы могут применятся для отопления  зданий при круглогодичном кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нужд различных предприятий. Однако использование тепловых насосов должно быть экономически обосновано.

Рис.2. Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов показана на рисунке. Вода из отопительной установки направляется в сетевой насос СН и нагнетается им для подогрева в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме и включенный последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1 вода нагревается от температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр. После этого вода направляется в конденсатор второй ступени К2, где нагревается до температуры t1. Далее вода входит в отопительную систему, отдает тепло обогреваемым помещениям и при температуре t2 вновь поступает в теплонаносную установку.

Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в  компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.

Режим работы теплонаносной  машины определяется режимом работы отопительной системы. При повышении  наружных температур отопительного  сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток  рабочего тела после компрессора  КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д1.

При более низких температурах наружного воздуха  включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Для круглогодичного  кондиционирования в южных районах (отопление зимой, кондиционирование  воздуха летом) распространение  получают мелкие теплонаносные автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки очень компактны и используют наружный воздух в качестве источника низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию.

4. Пример использования теплонаносной системы для горячего водоснабжения жилого дома

В Москве, в микрорайоне  Никулино-2 фактически впервые была построена теплонаносная система  горячего водоснабжения многоэтажного  жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Табунщикова Ю. А.

В качестве низкопотенциального  источника тепловой энергии для  испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев  Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

- парокомпрессионные  теплонаносные установки (ТНУ);  
- баки-аккумуляторы горячей воды;  
- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;  
- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным  элементом системы сбора низкопотенциального  тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального  типа, расположенные снаружи по периметру  здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.

Система сбора  низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает  устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонаносных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.

Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.

Поскольку режим  работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление  горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

5. Компрессор - элемент теплового насоса

Компрессоры паровых  холодильных машин входят в состав герметически закрытой системы и  предназначены для отсасывания  холодного агента из испарителя в целях поддержания в последнем давления Ро, сжатия пара и выталкивания его в конденсатор при давлении Рк, необходимом для сжатия.

Производительность  компрессора характеризуется холодопроизводительностью  машины и зависит от конструкции, режима работы холодильной машины и холодильного агента, на котором она работает.

6. Область применения различных насосов, нагнетателей и компрессоров

Нагнетатели различных  типов находят широкое применение в системах вентиляции и кондиционирования  воздуха гражданских, общественных и промышленных зданий, в системах тепло-, газо и водоснабжения, в различных теплоэнергетических установках, в химической, добывающей, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства.

Наибольшее  применение получили радиальные (центробежные) нагнетатели со спиральным кожухом общего и специального назначения. Используемые в качестве насосов, они создают напор 3500 м и более и имеют подачу 100 000 м3/ч в одном агрегате; при использовании в качестве вентиляторов их подача достигает 1 000 000 м3/ч в одном агрегате.

Центробежные  насосы в системах теплоснабжения применяют  для подачи сетевой воды. В теплоэнергетических  установках центробежные насосы применяют  для питания котлоагрегатов, а  также для подачи конденсата в  системе регенеративного подогрева питательной воды и циркуляционной воды в конденсаторы турбин. Их используют также в системах гидрозолоудаления. Центробежные насосы применяют для подачи различных растворов и реагентов в технологических системах производств; в строительной и угольной промышленности - при гидромеханизации разработки грунтов и при гидравлическом способе добычи угля; в торфяной промышленности - для разработки залежей торфа и подачи смеси торфа с водой.

Осевые нагнетатели  широко применяются как в качестве вентиляторов, так и в качестве насосов. В последние годы в связи с увеличением мощностей паровых турбин циркуляционная вода в конденсаторы турбин подается быстроходными осевыми насосами.

Вихревые насосы обычно применяют при необходимости  создания большого напора или малой подачи. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах (мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного газа.

Поршневые насосы применяют для питания паровых котлоагрегатов малой паропроизводительности и в качестве дозаторов реагентов для поддерживания требуемого качества питательной и котловой воды крупных котлоагрегатов. На тепловых электростанциях поршневые компрессоры служат для обдува поверхностей нагрева котельных агрегатов с целью их очистки от летучих золы и сажи, а также для снабжения воздухом пневматического инструмента и прессов.

Роторные нагнетатели  применяют на электростанциях в  системах смазки и регулирования  турбин (шестеренные насосы), часто используют в качестве компрессоров.

Струйные нагнетатели  получили широкое применение во многих отраслях народного хозяйства: в  промышленной теплоэнергетике; в теплофикационных установках - в качестве элеваторов на вводах теплосети в здание; в системах вентиляции цехов химических предприятий, взрыво, пожароопасных помещений - в качестве эжекторов в вытяжных установках; в холодильных установках и для питания паровых котлов в передвижных паросиловых установках - в качестве инжекторов; в установках пневмо и гидротранспорта, водоснабжения и др. Струйные насосы используют для удаления воздуха из конденсаторов паровых турбин и в абонентских теплофикационных вводах в качестве смесителей прямой и обратной воды.

Центробежные  компрессоры являются основным видом компрессорных машин в химическом и металлургическом производствах. Эти машины получают распространение в системах магистрального газоснабжения.

Компрессоры используются практически во всех отраслях народного  хозяйства. Сжатый воздух как энергоноситель применяется в различных пневматических устройствах на машиностроительных и металлообрабатывающих заводах, в горно-добывающей и нефтяной промышленности, при производстве строительных и ремонтных работ. Компрессоры необходимы в газовой промышленности при добыче, транспортировке и использовании природных и искусственных газов.

В химической промышленности газовые многоступенчатые компрессоры  используются в циклах синтеза химических продуктов при высоком давлении. В последнее время сжатый воздух, получаемый от поршневых компрессоров, находит применение в текстильной промышленности как энергоноситель для проведения ткацкого процесса.

В установках умеренного и глубокого холода, а также  в газотурбинных установках компрессоры  являются органической частью, в значительной степени, определяющей экономичность агрегатов.

7. Роль и место тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов Российской Федерации

В сложившихся условиях функционирования системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) в городах РФ существуют большие возможности повторного вовлечения огромного потенциала низкопотенциальной теплоты (НПТ) тепловых потоков и выбросов на энергообъектах СЦТ в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) городского энергохозяйства, и в первую очередь, за счет внедрения энергосберегающей теплонаносной технологии.

До последнего времени работы по освоению теплонаносной технологии велись скорее разрозненными, чем объединенными усилиями. В ряде городов РФ сооружены теплонаносные установки (ТНУ), которые на данном этапе больше выполняют демонстрационные функции. В числе таких городов следует назвать Нижний Новгород, Новосибирск, Саратов, Москву, Санкт-Петербург и др. Повышенный интерес к освоению теплонаносной технологии в СЦТ, как в прочем и децентрализованном секторе, особенно проявился в последние 5-6 лет. Это обусловлено возрастающим напряжением в топливообеспечении, но главным образом, из-за непрерывного удорожания первичных энергоресурсов, и как следствие этого роста цен на энергоносители.

Накопленный опыт внедрения ТНУ в этих городах показывает на существование практически повсюду одних и тех же трудностей, сдерживающих их внедрение в СЦТ. Основными из них являются отсутствие нормативно-правовых документов, регламентирующих взаимодействие структур городского энергохозяйства, финансовых структур (коммерческих банков, инвестиционных фондов и т.п.) и энергопроизводителей в вопросах взаиморасчетов за произведенную теплоту с помощью ТНУ и финансирования данной технологии. Различие и наличие межведомственных интересов сдерживает не только разработку подобных документов, но и эксплуатацию уже смонтированных ТНУ.

Однако теплонаносная технология неизбежно со временем будет востребована по целому ряду причин. Рассмотрим их более подробно с позиции целесообразности и эффективности внедрения ТНУ в СЦТ городов РФ. Вначале отметим, что в настоящее время только на ТЭС РАО «ЕЭС России» системой охлаждения технической воды (СОТВ) сбрасывается в окружающую среду не менее 140-150 млн Гкал, что эквивалентно 24-26 млн т у.т. непроизводительного расхода топлива. Естественно, что в разных регионах РФ существуют различия в объемах сброса НПТ, например, из-за применения открытой схемы водоразбора, но это только указывает на необходимость регионального подхода в изучении возможностей применения теплонаносной технологии, конечно же, с учетом особенностей СЦТ в каждом регионе. Однако, надо признать, что такое положение является неизбежным при существующей классической системе теплоснабжения (в связи с отсутствием до последнего времени эффективных технологий утилизации НПТ). Освоение теплонаносной технологии позволяет изменить сложившееся представление о невозможности полезно вовлекать в ТЭБ бросовую теплоту.

На самом деле СЦТ в крупных городах РФ обладает уникальными возможностями по эффективному вовлечению НПТ в ТЭБ города и с относительно незначительными капитальными затратами в сравнении с таковыми в зарубежных странах, где СЦТ не получила такого развития, как в РФ.

Итак, какие это преимущества от применения ТНУ в условиях СЦТ, рассмотрим ниже. Практически повсюду в целях обеспечения надежности и экономичности теплоснабжения между тепло-магистралями тепловых сетей ТЭЦ и РК предусмотрены перемычки, которые позволяют, например, летом отключать РК, а подачу теплоты в виде горячей воды производить от ТЭЦ. Это позволяло до недавнего времени увеличивать долю комбинированный выработки тепловой и электрической энергии в неотопительный сезон. Однако в последние несколько лет в связи с переходом на рыночные отношения и в условиях неплатежей этот принцип работы в СЦТ нарушен. Причиной такого положения явилось различие тарифов на теплоэнергию, производимую на ТЭЦ и РК. Парадокс состоял в том, что городские службы Теплоэнерго реализовали теплоту по завышенному тарифу (установленному для предприятий Теплоэнерго), это и привело к раздельному производству и реализации теплоты на ТЭЦ и РК, в частности, такое положение наблюдается в системе теплоснабжения г. Москвы.