Реализация новых энергосберегающих технологий на основе тепловых насосов. Перспективные направления их использования

В последние годы нашим авторским коллективом выполнены большие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по решению крупной и актуальной научно-технической проблемы по разработке и внедрению энергосберегающих технологий для утилизации иизкопотенциалыюго тепла с применением ТН.

Руководитель авторского коллектива Д.Г. Закиров являлся научным руководителем проекта «Разработка высокоэффективной технологии самоочищающихся аппаратов утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод» (технологии утилизации тепла), направления «Новые технологии в энергосбережении» Федеральной научно-технической подпрограммы «Экологически чистая энергетика» по линии Минобрнауки РФ. Под его руководством авторским коллективом выполнен комплекс теоретических, экспериментальных, инструментальных исследований. Результаты научно-исследовательской работы внедрены па федеральном и региональном уровне. Выполнены большие объемы научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новых технологий, эффективного незасоряющегося теплообменного аппарата для рекуперации тепла загрязненных шахтных вод, определены оптимальные параметры и разработана конструкторская документация па теплообменники для использования их в составе различных теплопасоспых технологий (ТНТ).

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по интенсификации процесса теплообмена в рабочих каналах теплооб- менной аппаратуры методом искусственной турбулизации потока теплоносителя, а также определены основные пути и средства для создания эффективного теплообменного аппарата для утилизации низкопо- тенциалыюй теплоты шахтных вод, канализационных стоков, загрязненных взвешенными веществами и нефтепродуктами. Для теоретического анализа создана математическая модель течения потока по поверхности с дискретными турбулизаторами.

Разработаны научные основы рационального применения ТН технологий и рекомендации по оценке эффективности применения ТНТ.

Разработаны: параметрический ряд из шести разновидностей тепловых насосов, программа для расчета параметров термодинамических циклов. Методика и алгоритм выбора типов и параметров тепловых насосов (ТН) для работы в различных условиях их применения, модель и алгоритм оптимизации эколого-энергетических параметров теплоснабжения угольной шахты с утилизацией низкопотенциального тепла, технические средства для применения в составе ТНТ (спиральный и кожухотрубный теплообменные аппараты, тонкослойный отстойник). Разработана методика технико-экономического обоснования применения ТНТ в сфере ЖКХ, методические рекомендации по применению ТНТ в системах отопления и горячего водоснабжения. Разработаны и научно обоснованы эколого-энергетические параметры оптимизации теплоснабжения угольных шахт па основе применения технологий утилизации низкопотенциалыюго тепла шахтных вод и неочищенных сточных вод с применением ТН.

По данной теме в различных изданиях опубликовано 48 работ, изданы 8 монографий, получено 8 патентов па изобретения РФ.

Авторским коллективом выполнены научно-исследовательские работы по разработке методики выбора типов и параметров ТН для работы в различных условиях их применения. Основным параметром, определяющим выбор типа ТН в зависимости от конкретных условий, является экономическая эффективность. Под такой эффективностью здесь понимается снижение себестоимости вырабатываемого ТН тепла по сравнению с традиционными источниками тепловой энергии, получение реальной прибыли при выработке необходимого количества тепла и, самое главное, достижение минимального срока окупаемости.

В зависимости от источника низкопотенциальпой теплоты (загрязненные и очищенные хозбытовые и шахтные воды, поверхностные и оборотные воды, грунт, наружный и вытяжной воздух, и т.д.) должны применяться соответствующие технологии утилизации. Для утилизации низкопотенциальпой теплоты наиболее распространенных источников, авторским коллективом разработаны соответствующие технологии на основе серийно выпускаемых ЗАО «Энергия» ТН, а также высокоэффективных спиральных теплообменников, теплообменных модулей, новизна которых подтверждена патентами РФ (Патенты на изобретения №2156423, № 2178542, № 2186309, № 2155302).

Авторский коллектив в течение ряда лет занимается проблемой вовлечения вторичных энергетических ресурсов (ВТЭР) и использования возобновляемых природных источников в процесс производства тепловой энергии с применением тепловых насосов решены крупные научные проблемы с использованием ТН по утилизации низкопотенциалыюго тепла шахтных вод, а также загрязненных хозбытовых стоков, внедрены, в том числе «пионерские» технологии.

Впервые в СССР в 1988 г. была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессорной станции на шахте «Ключевская» ПО «Кизелуголь» для отопления и горячего водоснабжения технологического комплекса шахты. Испытания и эксплуатация подтвердили экономическую целесообразность утилизации ранее сбрасываемой теплоты и улучшения экологической обстановки па прилегающих территориях за счет снижения нагрузки на промышленные котельные, поскольку полученное тепло использовалось для отопления зданий АБК, столовой и прилегающих зданий шахты. Кроме того, значительно улучшились условия охлаждения компрессоров и температурные режимы их эксплуатации, из работы была полностью исключена градирня, по результатам измерений установлено, что на 1 кВт ч затраченной электроэнергии па привод теплового насоса получено 3,5 кВт ч эквивалентной тепловой энергии.

В 1994 г. на основе результатов исследований был выполнен рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциалыюго тепла шахтной воды для шахты «Зенковская» АО УК «Прокопьевскуголь». ТНУ тепловой мощностью 2,4 МВт покрывает круглогодичную нагрузку системы горячего водоснабжения и базовую нагрузку отопления.

В 1995 г. был выполнен рабочий проект, предусматривающий применение ТНУ для шахты «Степановская» АО «Ростовуголь» по утилизации низкопотенциальной теплоты с целью улучшения температурного режима очистки хозяйственно-бытовых стоков. Годовая экономия эксплуатационных издержек 59,1 млн руб., при экономии 1045 ту.т.

В 2000 г. впервые в России разработана и внедрена технология утилизации низкопотенциалыюго тепла загрязненных хозяйственно- бытовых стоков с применением ТН, совместно с ЗАО «Энергия», для отопления и горячего водоснабжения на МП «Пермводоканал», на РНС-3 «Гайва». Затраты на теплоснабжение станции сократились в 4,6 раза, годовой экономический эффект составил 198 тыс. руб., срок окупаемости 2 года.

В 2001 г. на шахте «Осииииковская» ЗАО УК «Южкузбассуголь» в Кемеровской области, впервые в России, внедрена опытнопромышленная технология утилизации низкопотенциалыюго тепла шахтных вод для горячего водоснабжения шахты. Внешний вид установленного ТН представлен на рис.3.46. В технологическую схему включен ТН производства ЗАО «Энергия», теплопроизводительность которого составляет 130 кВт. Затраты па теплоснабжение шахты сократились в 2,1 раза, годовой экономический эффект 1986 тыс. руб., срок окупаемости проекта 1 год. Затрачивая 1 кВтч электроэнергии технологическая схема позволяет получать около 4 кВт ч эквивалентной тепловой энергии. Установка дает 100 м3 в сутки горячей воды экологически чистым способом, решает проблему горячего водоснабжения шахты и позволяет исключить из работы шахтную котельную в летнее и осенне-весеннее время года.

НТ-110, установленный на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал»

Рис. 3.46. НТ-110, установленный на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал»

В 2006 г. за счет внедрения технологии утилизации низкопотепциального тепла загрязненных хозбытовых стоков была исключена из технологического процесса угольная котельная №35 ПГЭС «Теплоэнерго» (г. Кунгур) для отопления зданий станции. Себестоимость вырабатываемой экологически чистой тепловой энергии стала в 9 раз ниже прежней (1 Гкал стоит 541,6 руб. против 5248 руб. раньше). Срок окупаемости проекта - 1,2 года.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований и опытно-конструкторских работ решена крупная актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в утилизации теплоты низкопотенциальных источников в промышленности, энергетике и жилищно-коммунальной сфере. Для теплоснабжения разработаны оригинальные способы, технические средства и технологии утилизации различных источников низкопотенциалыюго тепла.

В настоящее время ТНУ экономически эффективны при вытеснении прямого электротеплоснабжения и комплексной выработки тепла и холода. Эффективность же по сравнению с газомазутными котельными существенно зависит от соотношения стоимостей потребляемой электроэнергии па привод и сэкономленного топлива, так как удельные капиталовложения в тепловые насосы значительно выше, а также от вида и температуры низкопотенциалыюго источника тепла.

ТНУ могут эффективно трансформировать низкопотеницальное тепло в высокопотепциалыюе для целей отопления и ГВС, например, путем охлаждения морской или речной воды от 4-х до 2-х °С. При этом себестоимость тепловой энергии оказывается на 20% ниже по сравнению с себестоимостью тепла, отпускаемого газовой котельной. А по данным МНИИЭКО ТЭК (г. Пермь) эксплуатационные затраты при использовании ТН снижаются в 1,3-3,7 раза в зависимости от вида органического топлива, на котором работает котельная или электробогроев.

В системах централизованного теплоснабжения, выпускаемые в России ТН практически не используются, что приводит к значительным энергетическим потерям, которые могут быть частично или полностью компенсированы применением ТН. К таким потерям следует отнести большие выбросы низкопотепциалыюго тепла в системе оборотного те- пловодоснабжения, большие затраты тепла на нагрев сырой воды, восполняющей ее потери в теплосетях; потери тепла через изоляцию, в том числе из-за неоправданно высоких температур сетевой воды.

Для использования в системах централизованного теплоснабжения требуются ТН большой мощности (20-100 МВт в одном агрегате). На базе существующих типов ТН такие мощности реализованы быть не могут. Кроме того, при создании крупных ТН во весь рост становится проблема необходимости использования экологически безопасных рабочих веществ из числа «природных» (углеводороды, диоксид углерода, вода, воздух).

Второй проблемой является обеспечение максимальной эффективности ТНУ при переменных температурах конденсации и кипения теплоносителя, которые изменяются в зависимости от температуры низкопотепциалыюго источника и требуемой температуры нагреваемой в конденсаторе воды.

В настоящее время эта проблема не решена. Однако, приемлемого результата можно достичь путем дробления ТНУ и применения схемных решений, в которых нагрев горячей воды в конденсаторах и охлаждения низкопотепциалыюго источника в испарителях осуществляется при последовательном включении ТНУ с меньшей степенью сжатия и противоточном движении нагреваемой и охлаждаемой воды. Этот метод применяется ЗАО «Энергия» для относительно мощных ТНУ (более 1 Гкал/ч) и позволяет увеличить коэффициент преобразования 1,5-1,8. В то же время он приводит к увеличению капитальных затрат и не применим для ТНУ малых мощностей.

Проблема эффективного использования ТНУ в условиях России ставит и другие крупные задачи. В частности создание новых оптимальных для ТН отопительных систем, позволяющих снижать температуру теплоносителя на входе в систему, увеличить поверхность конвекторов и коэффициент их теплоотдачи, применять воздушное отопление.

Вместе с тем, широкое внедрение ТНУ сдерживается из-за ряда нерешенных законодательных, правовых, экономических, финансовых, нормативно-технических и технологических проблем. Эти проблемы в большей степени являются следствием отсутствия в стране государственной поддержки этого важного направления и общенациональных программ разработки и внедрения ТН.

К основным факторам, сдерживающим широкое внедрение ТН сегодня в России относятся: более низкая, по сравнению с ценами внешнего рынка, стоимость топлива, незначительное распространение систем кондиционирования воздуха и электрообогрева; отсутствие низкотемпературных систем отопления в децентрализованном теплоснабжении и незначительное серийное производство отечественными машиностроительными предприятиями ТНУ.

Актуальной задачей является разработка «Методических указаний по применению ТНУ в системах отопления и ГВС», учитывающих различные климатические условия, характер источников низкопотенциального тепла, требуемую мощность, режимы теплопотребления потребителей и т.п.

Принимая во внимание мировую практику широкого использования ТН в системах теплоснабжения, создаваемый ими высокий энергосберегающий и социально-экономический эффект и экологическую чистоту, рассматривать это направление как особо важное и актуальное при решении задачи преодоления отсталости России в практическом использовании этой технологии и совершенствования российской системы теплоснабжения.

Необходимо создать нормативно-техническую базу применения ТНУ, усилить НИР и ОКР по разработке новых технологий и теплообменных аппаратов для съема низкопотенциального тепла, в том числе при утилизации загрязненных промышленных и хозбытовых стоков, шахтных вод; создание экологически чистых хладагентов, комбинированных систем теплохладоснабжепия на базе ТН, а также предусмотреть экономические меры содействия развитию ТНТ, включая государственные дотации, налоговые льготы, льготные тарифы на электроэнергию с учетом высокой эффективности этой технологии.

Тепловые насосы в перспективе найдут широкое применение в жилом и общественном секторах:

  • - в общественных зданиях с кондиционированием воздуха будут применять современные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в режиме теплового насоса в холодный;
  • - в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТНУ будет осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий;
  • - водопроводно-канализационных хозяйств городов и муниципальных образований отопления и горячего водоснабжения будет осуществляться полностью за счет низкопотенциальпого тепла с применением тепловых насосов.

Эффективность систем теплоснабжения с применением тепловых насосов во многом определяется наличием источника низкопотен- циалыюй теплоты. Источниками низкотемпературной теплоты для ТНУ в коммунальном хозяйстве могут служить грунтовая вода, наружный воздух, тепло грунта, теплота канализационных стоков, загрязненных и очищенных хозбытовых стоков, а также водопроводная вода.

Некоторые практические примеры использования тепловых насосов:

При наличии артезианской скважины с температурой воды 5- 30 °С, подаваемой на нужды водопотреблепия, желательно установить тепловой насос и можно получить более дешевое тепло по сравнению с обычной котельной и температуре теплоносителя 45-80 °С. Срок окупаемости такого теплового насоса не превысить 1,5 до 3-х лет в зависимости от условий эксплуатации и цепы на энергоносители.

Сточные воды городских очистных сооружений имеют температуру 20-25 °С. Эта вода обычно в огромном количестве сбрасывается в водоемы. Если установить тепловой насос на эту воду, то можно отапливать не только сами очистные сооружения, но и близ лежащие дома и даже район. Срок окупаемости теплового насоса будет от 2-х до 3-х лет в зависимости от стоимости электрической энергии.

Для этих целей более всего подойдут малые передвижные тепловые насосы блочного исполнения единичной тепловой мощностью от 30 до 150 кВт. Тепловые насосы такого исполнения легко перевозятся автомобильным транспортом и быстро монтируются с помощью временных трубопроводов па летней площадке. Себестоимость получаемой тепловой энергии будет в три и более раз ниже, чем - от электрокотелыюй или котла па дизельном топливе.

В большинстве лечебных учреждениях в качестве лечебных процедур используются лечебные и гидромассажные ванны, лечебный душ, бассейн с подогретой водой, вода которых в огромном количестве сливается в канализацию. Низкопотенциалыюе тепло сбрасываемое вместе с водой, следует использовать, применив в теплонасосную технологию, использовать все сбрасываемые тепловые потоки, и значительно сократить расходы на покупку тепловой энергии.

Огромное применение тепловым насосам можно найти на предприятиях, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию. Таким предприятием, например, может быть молокозавод, пивоваренный завод.

На молокозаводе всегда имеются мощные холодильные установки, непрерывно участвующие в технологическом процессе переработки молока, с которых постоянно отводится подогретая вода оборотного водоснабжения. Эту воду можно использовать как низкопотенциальный источник тепла для теплового насоса, получая при этом горячую воду.

В условиях севера актуальными становятся установки с бивалентными системами теплоснабжения, где тепловые насосы используются для покрытия базовых тепловых нагрузок в условиях умеренных температур наружного воздуха и подключении котла при сильном понижении температуры наружного воздуха.

Актуальным является применение тепловых насосов при термическом разделении веществ, например, при упаривании минерализованных жидкостей или получении дистиллированной воды, выпарных установках, ректификации.

Перспективные направления использования иизкопотенциально- го тепла загрязненных стоков, шахтных вод, хозбытовых стоков имеющих большой тепловой потенциал.

В последних главах книги будет уделено внимание освещению разработанных и внедренных технологий в производство, проблемам использования низкопотенциалыюго тепла загрязненных стоков.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >