Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення

Зміст



Вступ…………………………………………………………...……...……….…..4

1. Характеристика об'єкту……………………………………………...….……...6

1.1 Географічне положення……………………………………………...……….6

1.2 Характеристика природно-кліматичних умов………………………………6

2. Обґрунтування запропонованого удосконалення……………………………8

2.1 Сучасний стан енергозабезпечення……………………………………….…8

2.2 Напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу…………………...9

2.3 Що таке геотермальна енергія?..……………………………………………11

2.4 Світовий потенціал геотермальної енергії…………………………………12

2.5 Використання геотермальних джерел енергії…………………...……...….13

2.6 Утилізація і виробництво…………………………………………...…...…..16

2.7 Екологічні аспекти………………………………………………...……..….17

2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку…..…………...……..18

2.9 Теплові насоси………………………………………………..………...……20

2.9.1 Загальна характеристика…………………………………………………..20

2.9.2 Область використання теплових насосів……………………...…..……..22

2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса………..……….22

2.9.4 Робоче тіло теплових насосів……………………………………………..23

2.9.5 Ґрунт як джерело низько потенційної теплової енергії……..…..………24

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту25

2.9.7 Види теплообмінників…………..………………………………………...27

2.9.8 "Стійкість" систем використання низько потенційного тепла землі…..32

2.9.9 Порівняння ТНС з котельнею………………………………………….....37

2.9.10 Переваги ТНС опалення приміщення в порівнянні з котельнею……..38

3. Вибір власного теплового насосу……………………………………………39

3.1 Вибір моделі теплового насосу……………………….……….……………39

3.2 Вказівки за розрахунком - ґрунт як джерело тепла……..…………………39

3.3 Встановлення обладнання……………………………………….………….41

4. Теоретичний експеримент…………………………………………..………..46

5. Недоліки теплових насосів……………………………………………...……48

6. Структурно-функціональний аналіз виробничого процесу та розроблення моделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій…………………………….49

Список літератури…………………………………………………………….…54




Вступ



Зростання споживання енергії, пов'язане із збільшенням обсягів виробництва та переведенням сільського господарства на промислову основу, поліпшення умов життя населення (світло, опалення, транспорт, розваги) потребує зростаючих поставок паливо-енергетичних ресурсів. У цих умовах їх економія та більш ефективне використання набувають першочергового значення.

Крім цього, фундаментальні зміни в енергетиці не відбудуться без відповідних змін у соціальній, економічній і духовній сферах нашого життя. Збереження енергії і її раціональне використання є не лише проблемою вартості тепла, води, електрики, міжнародних кредитів тощо. В першу чергу це є проблемою нашого майбутнього.

Для отримання теплоносія з відносно невисокою температурою, яка використовується для опалення та гарячого водопостачання, нераціонально витрачати органічне паливо. Яке може забезпечити значно більшу температуру теплоносія, таку необхідну для виробництва електричну енергію. Одним із заходів з економії паливно-енергетичних ресурсів у системах теплопостачання на об'єкт промислового та комунально-господарського призначення є застосування альтернативних джерел енергії з одночасним впровадженням тепло насосних установок.

Відповідно до експертних оцінок та техніко-економічних розрахунків головними типами теплових помп для будівничої справи є компресійні та абсорбційні теплові насоси, зокрема, типу повітря – повітря, повітря – вода, вода – повітря, вода – вода, соляний розчин – вода.

Вибір типу теплонасосної установки для систем теплопостачання залежить від місцевих природно-кліматичних умов, наявності дешевого та доступного низько потенціального джерела енергії.

Компресійний тепловий насос складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючого середовища, в випарник.

Компресійний тепловий насос включає в себе постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор; виконаний у вигляді 2n секцій, де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається з поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресора розташовані (n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднані через введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньо об'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, то робота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресорі прототипу , а це приводить до збільшення ККД теплового насоса. Крім того, оскільки дно камери конденсатора розташоване вище дна камери випарника насичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатково гравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється у електроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого, збільшується ККД теплового насоса. Вказана конструкція камери компресора, складається з меншого числа деталей та простіша в виготовленні, що спрощує конструкцію теплового насоса.




1. Характеристика об'єкту



1.1 Географічне положення



З проголошенням незалежності України, зросла роль історичних місць держави, в тому числі і Рівного, як міста, що зближує нашу державу з країнами Центральної і Західної Європи.

Місцеві підприємства прагнуть знайти своє місце в системі ринкових відносин. Це досягається насамперед за рахунок конкурентоздатної продукції і освоєння випуску нових видів товарів та послуг, що користуються попитом у населення.

Характерна місцевість: рівнинні райони. Погані ґрунти з болотами на півночі, горбиста місцевість на сході та півдні з чорноземами та глиноземами. Переважаючі вітри в даній місцевості є західні та північно-західні, тому практично впливу на клімат міста не мають.

Ґрунти в даній місцевості мають широкий спектр: чорноземи, глиноземи, супіски. Глибина культурного шару коливається в межах від 0.2 до 0.7 метрів.

Рівне знаходиться на відстані 210 кілометрів від міжобласного центру - Львова; через місто проходить важлива державна автомагістраль і залізничні колії.



1.2 Характеристика природно-кліматичних умов



Для міста Рівне Рівненської області характерні такі природно-кліматичні умови:

– клімат помірно-континентальний: зима – сніжна, літо – дощове, помірно тепле;

– переважаючі вітри західні та північно-західні;

– середньорічна температура повітря становить біля 7˚С тепла;

– абсолютна мінімальна температура становить -28˚С;

– абсолютна максимальна температура становить 35˚С;

– середня температура самого жаркого місяця становить 17.2°С;

середня максимальна температура 23°С;

опалювальний період становить 186 днів;

середня відносна вологість повітря самого холодного місяця становить близько 80%;

середня відносна вологість повітря самого жаркого місяця року становить в середньому 96 – 98%;

середньорічна кількість опадів становить 560 – 565 мм;

середня швидкість вітру в січні місяці становить 6.3 – 6.4 м/с;

середня швидкість вітру в липні місяці становить 0.1 м/с;

глибина промерзання ґрунту становить приблизно 35 – 45 см.




2. Обґрунтування запропонованого удосконалення



2.1 Сучасний стан енергозабезпечення



За останні 10 років значно змінилось становище з енергозабезпеченням населення і виробничої сфери в нашому суспільстві. У наслідок економічної та енергетичної кризи зменшились обсяги виробництва продукції. Це негативно впливає на рівень життя людей. Але з посиленням цих тенденцій почалася розробка і впровадження нових методів, засобів і програм впливу на споживання енергоресурсів у всіх сферах виробництва і побуту. Науково-технічний прогрес у сучасних умовах стимулює динамічний розвиток малої і мікро енергетики, максимально наближених до безпосередніх споживачів не тільки у високо розвинутих країнах, але й у країнах, де відбуваються кризові явища, як це є сьогодні в Україні. Підприємства, заводи, енергетичні гіганти в умовах швидкої зміни принципів господарювання із-за своєї інерційності стали неконкурентоспроможними, в порівнянні з малими підприємствами, які забезпечують динамічну зміну обладнання технологій і видів продукції, в тому числі енергозберігаючих, при порівняно невеликих інвестиціях, що сприяє їх швидкій адаптації до нових умов. Сьогодні така тенденція енергозберігання споживачів впливає і на енергоспоживання, а отже і на собівартість, і конкурентоспроможність продукції [15].

Це все пов'язано в основному з екстенсивним розвитком паливно-енергетичного комплексу (ПЕК). В результаті неухильно зростає використання традиційних паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР), запаси яких близькі до вичерпання. Наближається „енергетичний голод” і загроза глобальної екологічної катастрофи через шкідливі викиди в довкілля – чинники парникового ефекту, який може призвести до зникнення життя на Землі. Нині все гучніше чути, що катастрофа уже розпочалася і незворотна і прискорено розгортається.

Системні дослідження на замовлення Програми розвитку ООН (ПР ООН) свідчить: щоб запобігати цим руйнівним тенденціям або хоча би призупинити їх, необхідно змінити пріоритети розвитку ПЕК. Насамперед слід відмовитися від екстенсивної моделі розвитку ПЕК, тобто вжити широкомасштабних заходів щодо підвищення енергоефективності шляхом раціонального, ощадливого споживання енергії [16].



2.2 Напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу



Згідно із результатами згаданих в п. 3.1 досліджень, слід повсюдно впроваджувати техніку і технології використання нових (альтернативних) і відновлюваних джерел енергії (АВДЕ), тому що:

- ресурси АВДЕ невичерпні;

- технології є екологічно чистими;

- техніка і технології виробництва багатьох видів АВДЕ вже відпрацьовані настільки, що можуть становити конкуренцію об'єктам традиційної енергетики і тому поступово їх витісняють.

За даними Світової енергетичної конференції, розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергії достатньо на такий час:

нафти – 25...30 років;

природного газу – 50...60 років;

урану для АЕС на повільних (теплових) нейтронах – 20...30 років;

плутонію для АЕС на швидких нейтронах – 1000...3000 років.

Наприклад, екологічні та економічно чисті первинні енергоносії – нафта та природний газ – дефіцити в Україні, а споживаються прискореними темпами. Тому орієнтувати розвиток ПЕК країни на їх основі на тривалу перспективу аж ніяк не можна. Таким чином, прийнято ряд законів щодо економічного стимулювання енергетики на базі АВДЕ: „Про альтернативні види палива”, „Про електроенергетику”, „Про енергозбереження”, „Про внесення змін до деяких законів України щодо стимулювання розвитку вітроенергетики України”, „Про альтернативні джерела енергії”; прийнято і ще розробляється багато нормативних документів, зокрема ДСТУ і ГДК в області вітроенергетики. У вузах України для сфери АВДЕ розпочато підготовку фахівців [16].

Національно-енергетична та інші державні програми передбачають використання наступних АВДЕ:

вітру (ВЕС);

води (малих та міні ГЕС);

сонячного випромінювання, геотермальної, тепла довкілля, тобто поверхневих шарів Землі (ґрунту), ґрунтових вод, атмосферного повітря, вторинного тепла промислового виробництва (теплові помпи);

біогазу, вугільного метану, горючих твердих побутових і промислових відходів і деяких інших альтернативних видів палива разом з місцевими.

На розвиток і збільшення масштабів використання АВДЕ негативно впливають недосконалість, неврегульованість і нескоординованість організації справи, відсутність єдиного керівного центру.

Ресурси АВДЕ в Україні достатньо великі. Так, за оцінками ІЕД НАНУ, технічно допустимий для освоєння вітропотенціал приблизно у 200 разів більший за нинішні обсяги генерування електроенергії у країні. Вже є вітроенергетика, яка може ефективно експлуатуватися на площадках із середньорічною швидкістю 4.3 м/с. Отже, вітроенергетика є дуже перспективним напрямком модернізації українського ПЕК, скорочення споживання ПЕР і одночасно розв'язання екологічних проблем. Крім того, в Україні є надзвичайно сприятливі умови для спорудження офшорних ВЕС на акваторіях, де параметри вітру значно кращі, ніж на суходолі.

Перспективний напрямок розвитку вітроенергетики в Україні – інтеграція з гідроенергетикою, наприклад, спільне використання інфраструктури існуючих ГЕС або створення вітроакумулюючих електростанцій, що видаватимуть електроенергію в мережу за графіком.

В Україні поволі розгортаються роботи з розвитку малої гідроенергетики. Завдяки гідроенергетиці можна підтримувати графік навантаження енергосистеми за рахунок кращих економічних показників роботи. Тому цей напрямок удосконалення ПЕК України є надзвичайно актуальним і перспективним.

Україна має великі ресурси геотермальної енергії. Є достатньо конструкторської документації на компресійні й абсорбційні теплові помпи, здатні забезпечити високі техніко-економічні показники.

Освоєння альтернативних видів палива теж здійснюється незадовільно, прийняття закону України „Про альтернативні види палива” має активізувати підприємницьку діяльність у цьому напрямку. Багатообіцяючий старт за участі іноземних інвестицій – у технологій використання вугільного метану.



2.3 Що таке геотермальна енергія?



Теплота – одна з форм енергії. Геотермальна енергія являє собою теплоту внутрішніх шарів Землі. Саме ця енергія є причиною таких геологічних феноменів, як дрейф континентів, землетруси або вулкани. Під геотермальною енергією ми звичайно розуміємо ту частину тепла земних надр, що використовується або може бути використана людиною.

Основна кількість теплової енергії Землі утворюється внаслідок розпаду радіоактивних ізотопів у земній корі і мантії. Збільшення температури із заглибленням у земну кору (так званий геотермальний градієнт) становить 2,5-30С на кожні 100 метрів. У геотермальних районах, що містяться на межі літосферних плит, температурний градієнт може бути вищим в 10 разів. Часто це області з активною вулканічною діяльністю. У таких місцях температура може досягати 3000С на глибині всього лише 500-1000 м. Однак значні геотермальні ресурси можуть міститися й у районах з нормальним геотермальним градієнтом. Зазначимо, що сучасні технічні засоби дозволяють проникати на глибину до 10 км.

Щоб використати теплоту з глибинних шарів землі, її слід підняти на поверхню. Теплота може надходити на поверхню природним шляхом – через тріщини в земній корі, або ж для того, щоб її підняти, необхідно бурити свердловини. Носієм тепла є нагріта вода або водяна пара там, де температура і тиск сприяють її утворенню. Для того, щоб геотермальна рідина могла поглинати тепло Землі, вона має циркулювати в області гарячих скельних порід, утворюючи геотермальні резервуари. Рідина і сам резервуар являють собою два з трьох основних компонентів геотермальної системи. Третій компонент – джерело тепла, в ролі якого виступають або високотемпературні (понад 6000С) магматичні породи, що підіймаються на відносно невелику глибину (5-10 км), або звичайне тепло внутрішніх шарів земної кори. У першому випадку (магматичні породи) з високим геотермальним градієнтом утворюються високотемпературні пароутворюючі геотермальні системи. У другому – низькотемпературні геотермальні системи, що містять лише гарячу воду. Одна або більше геотермальних систем утворюють геотермальне поле або родовище.



2.4 Світовий потенціал геотермальної енергії



Земля містить у собі гігантські запаси енергії. Група експертів з Міжнародної асоціації геотермальної енергії провела оцінку запасів низько й високотемпературної енергії Землі. Результати цієї роботи представлені в таблиці.



Таблиця.2.2

Світовий потенціал геотермальної енергії

Території 

Високотемпературні джерела, придатні для виробництва електроенергії

Низько-температурні джерела, придатні для прямого використання теплоти, ТДж/рік 



Традиційні технології, ТВт/рік

Традиційні й бінарні технології, ТВт/рік



Європа 

1830

3700

370

Азія 

2970

5900

320

Африка 

1220

2400

240

Північна Америка

1330

2700

120

Латинська Америка

2800

5600

240

Океанія 

1050

2100

110

Світовий потенціал

11200

22400

1400



2.5 Використання геотремальних джерел енергії



Аналіз можливих областей застосування в економіці України технологій, що використовують нетрадиційні джерела енергії, показує, що в Україні найбільш перспективною областю їх впровадження є системи життєзабезпечення будівель. При цьому вельми ефективним напрямом впровадження даних технологій в практику вітчизняного будівництва є широке застосування теплонаносних систем теплопостачання (ТСТ), що використовують як повсюдне доступне джерело низько потенційного тепла ґрунту поверхневих шарів землі.

При використанні тепла землі можна виділити два види теплової енергії – високопотенційну і низькопотенційну. Джерелом високопотенційної теплової енергії є гідротермальні ресурси – термальні води, нагріті в результаті геологічних процесів до високої температури, що дозволяє їх використовувати для теплопостачання будівель. Проте використання високопотенційного тепла землі обмежене районами з певними геологічними параметрами. У Росії це, наприклад, Камчатка, район Кавказьких мінеральних вод; у Європі джерела високопотенційного тепла є в Угорщині, Ісландії і Франції.

Україна має ресурси геотермальної енергії, загальний потенціал яких в програмі державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідро- та теплоенергетики оцінюється величиною 438 МВт.год за рік. Геотермальні ресурси України - це передусім термальні води і тепло нагрітих сухих гірських порід. Крім цього, до перспективних для використання в промислових масштабах можна віднести ресурси нагрітих підземних вод, які виводяться з нафтою та газом діючими свердловинами нафтогазових родовищ.

На відміну від «прямого» використання високопотенційного тепла (гідротермальні ресурси), використання низько потенційного тепла землі за допомогою теплових насосів можливо практично повсюдно. В даний час це один з напрямів використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії, що найдинамічніше розвиваються.

Низькопотенційне тепло землі може використовуватися в різних типах будівель і споруд багатьма способами: для опалювання, гарячого водопостачання, кондиціонування (охолоджування) повітря, обігріву доріжок в зимову пору року, для запобігання обмерзанню, підігріву полів на відкритих стадіонах і тому подібне.

Кліматичні характеристики країн Центральної і Північної Європи, які разом з США і Канадою є головними районами використання нізкопотенциального тепла землі, визначають головним чином потребу в опаленні; охолоджування повітря навіть в літній період потрібне відносно рідко. Тому, на відміну від США, теплові насоси в європейських країнах працюють в основному в режимі опалення. У США теплові насоси частіше використовуються в системах повітряного опалення, суміщеного з вентиляцією, що дозволяє як підігрівати, так і охолоджувати зовнішнє повітря. У європейських країнах теплові насоси зазвичай застосовуються в системах водяного опалення. Оскільки ефективність теплових насосів збільшується при зменшенні різниці температур випарника і конденсатора, часто для опалювання будівель використовуються системи підлогового опалення, в яких циркулює теплоносій низької температури (35–40 °C).

Більшість теплових насосів в Європі, призначених для використання нізкопотенциального тепла землі, обладнана компресорами з електричним приводом.

За останні десять років кількість систем, що використовують для теплопостачання і будівель низькопотенційне тепло землі за допомогою теплових насосів, значно збільшилася. Найбільше число таких систем використовується в США. Велике число таких систем функціонують в Канаді і країнах центральної і Північної Європи: Австрії, Німеччині, Швеції і Швейцарії. Швейцарія лідирує по величині використання низько потенційної теплової енергії землі на душу населення. У Росії, нашого сусіда, за останні десять років побудовані лише одиничні об'єкти.



Країна

Встановлена потужність, МВт

Вироблена енергія, ТДж/рік

Австралія

24

57,6

Австрія 

228

1094

Болгарія

13,3

162

Великобританія

0,6

2,7

Венгрія

3,8

20,2

Німеччина

344

1149

Греція 

0,4

3,1

Данія

3

20,8

Ісландія

4

20

Італія

1,2

6,4

Канада

360

891

Литва

21

598

Нідерланди 

10,8

57,4

Норвегія

6,0

31,9

Польща

26,2

108,3

Росія

1,2

11,5

Словакія

1,4

12,1

Словенія

2,6

46,8

США

4800

12000

Турція

0,5

4,0

Фінляндія

80,5

484

Франція

48,0

255

Чехія

8,0

338,2

Швейцарія

300

1962

Швеція

377

4128

Японія

3,9

64,0

Всього

6 675,4

23 268,9

Табл.2.5.1 Світовий рівень використання низько потенційної теплової енергії з допомогою теплових насосів



Розвинуті країни світу використовують тепло геотермальних ресурсів не тільки на виробництво електроенергії, а безпосередньо у вигляді тепла: 42% для обігріву ван і басейнів; 23% для опалення; 12% для геотермальних теплових насосів; 9% для обігріву теплиць;

Очікується, що до 2011 року встановлена електрична потужність перевищить 14000 МВт. Однак навіть за умови застосування новітніх технологій у цій галузі кількість енергії, виробленої за рахунок геотермальних ресурсів в 2007 році, становила менше ніж 0,25% від світового потенціалу цього виду енергії, придатного для використання.



2.6 Утилізація і виробництво



Геотермальна енергія являє собою екологічно чисте й постійно відновлюване джерело енергії. Воно істотно відрізняється від інших альтернативних джерел тим, що його можна використовувати у різних кліматичних умовах і в різні пори року. Коефіцієнт використання геотермальних електростанцій, як правило, перевищує 90%. Ціна електроенергії, яку виробляють такі електростанції, нижча, ніж на електрику, вироблену з використанням інших відновлюваних джерел енергії. Якщо розглянути сумарний внесок у виробництво електроенергії геотермальної, вітрової й сонячної енергії, а також енергії припливів і відпливів, то виявиться, що 1998 році геотермальні станції охоплювали 42% встановлених потужностей і 70% від загальної кількості електроенергії, виробленої із цих чотирьох джерел.

Геотермальне тепло можна перетворити на електричну енергію або ж використати безпосередньо у вигляді тепла. Залежно від параметрів геотермальних ресурсів, електроенергія виробляється в традиційних парових турбінах, в які надходить геотермальна рідина, що має температуру не менше ніж 1500С, або ж в установках з бінарним циклом. Існують два основних типи парових турбін – з протитиском і конденсаційні. Перші простіші і дешевші. Однак питоме споживання пари на 1 кВт * год виробленої енергії майже вдвічі більше, ніж у конденсаційних турбінах при однаковому тиску на вході. Зате турбіни з протитиском швидко монтуються, період запуску в експлуатацію не перевищує 13-14 місяців. Як правило, такі турбіни мають невелику потужність (2,5-5 МВт). Турбіни конденсаційного типу забезпечуються великою кількістю додаткового обладнання. Вони набагато складніші й значно більшого розміру. Щоб їх запустити, потрібно вдвічі більше часу. Однак питоме споживання пари в них майже вдвічі менше, ніж у турбінах з протитиском. Зазвичай використовуються конденсаційні установки потужністю 55-60 МВт. Однак уже є приклади запуску турбін потужністю понад 100 МВт.

Значний прогрес досягнуто в технології, що використовує бінарний цикл. У цьому випадку може використовуватися вода, що має температуру 80-900С. подібні установки успішно працюють у багатьох країнах світу.



2.7 Екологічні аспекти



Широко відомо, що виробництво або трансформація енергії прямо або опосередковано впливає на довкілля. Це означає, що отримати ідеально чисту енергію в принципі неможливо. Однак геотермальна енергія, порівняно з іншими видами, є найчистішою. Кількість СО2, що виділяється при виробництві одного кіловата електроенергії з високотемпературних геотермальних джерел становить від 13 до 380 грамів. Водночас, при спаленні природного газу емісія СО2 дорівнює 450 г/кВт*год, нафти – 906 г/кВт*год і вугілля – 1042 г/кВт * год. Згідно останніх досліджень, викиди СО2 на геотермальних електростанціях становили в середньому 65 г/кВт*год виробленої електроенергії. Дослідження охоплювало більшу частину електростанцій сумарною встановленою потужністю 5032 МВт.

Нагріта геотермальна рідина може містити різні гази, головним чином азот і сірководень, а також у невеликих кількостях ртуть, радон і бор. Кількість цих газів залежить від хімічного складу геологічних родовищ. Однак хімічні сполуки, що містяться у геотермальному потоці, не викидаються в повітря, а повертаються назад углиб землі за допомогою спеціальних свердловин.



2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку



На Україні є значні запаси термальних вод. Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовувати не тільки для теплопостачання різноманітних споживачів, а й для виробництва електроенергії. Існуючі ціни на енергоносії і перспективи їх зростання, роблять економічно вигідними будівництво геотермальних електростанцій практично у всіх регіонах України найближчим часом.

Геотермальна енергія є одним із перспективних відтворюваних джерел енергії. Її давно і широко застосовують Ісландія, США, Нова Зеландія, Угорщина і багато інших країн.

Геотермальні води характеризуються багатьма факторами. Зокрема, за температурою вони поділяються на слаботермальні – до 40˚С, термальні – 40 - 60˚С, високо термальні – 60 - 100˚С, перегріті – понад 100˚С. Вони різняться й за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тисом, глибиною залягання.

Найпростішим економічним рішенням є безпосереднє використання геотермальних вод споживачами: не потрібно встановлювати додаткові теплообмінники і економиться водопровідна вода. Але цей спосіб придатний лише тоді, коли вода відповідає стандарту питної.

Найбільш перспективним способом відбору глибинної теплоти є створення підземних циркуляційних систем із повним або частковим поверненням відпрацьованої води в продуктивні пласти. Ці системи запобігають виснаженню запасів геотермальних вод, підтримують гідравлічну рівновагу в підземних пластах, запобігають забрудненню навколишнього середовища в місцях розташування геотермальних об'єктів. Відпрацьована термальна вода закачується назад у підземні горизонти, що зберігає екологічну чистоту регіону і забезпечує стабільність технологічного циклу [16].

Значно покращити ситуацію з теплопостачанням різноманітних споживачів дозволить використання потенціалу навіть слабо термальних (від +30˚С і вище) вод, запаси яких у багатьох регіонах країни значні. Слабо термальні води дають хороші перспективи для використання тепло насосних установок у виробництві, комунальному господарстві, побуті.

По мірі заглиблювання в землю температура ґрунту в середніх широтах на глибині 3 – 5 метрів протягом року становить 10 – 30˚С і вище.

Для розвитку геотермальної енергетики немає потреби створювати нові підприємства енергетичного машинобудування. Обладнання для геотермальних установок та систем можуть виготовляти існуючі заводи.

Показники ефективності геотермальних установок переважають паливні та атомні і при існуючих тарифах на тепло та електроенергію в найближчому часі можуть розвиватися за рахунок самофінансування. Повністю освоєною є технологія геотермального теплопостачання населених пунктів, сільськогосподарських об'єктів та невеликих підприємств [15].

На сьогодні науково-дослідні роботи з геотермальної енергетики виконуються згідно з Державною науково-технічною програмою „Екологічно чиста енергетика України”, яка затверджена постановою КМУ №100 від 17. 01.1996 року. Програма визначає декілька пріоритетних напрямків геотермальної енергетик: створення геотермальних станцій теплопостачання, створення Неотес, створення систем теплопостачання з підземним акумулюванням тепла, створення сушильних установок, створення геотермального теплопостачання теплиць.




2.9 Теплові насоси



2.9.1 Загальна характеристика

У природі, виробництві, сільському господарстві, побуті є значні запаси розсіяної низькотемпературної теплової енергії, яку можна ефективно використати. Для її концентрації застосовують теплові помпи (теплові помпові установки – ТПУ). Це пристрій, який за допомогою механічної або електричної енергії трансформує теплову енергію низького потенціалу в теплову енергію більш високих параметрів.

Сучасні ТПУ по принципу роботи розділяються на компресійні, абсорбційні і термоелектричні [15].

Джерелом низькотемпературної теплоти для ТПУ може бути природна теплота зовнішнього повітря, ґрунту, теплові відходи промислового і сільськогосподарського виробництва, геотермальна енергія. ТПУ економічно і екологічно вигідно використовувати у виробництві і побуті для опалення і гарячого водопостачання при сучасних цінах на енергоносії, не зважаючи на значні капітальні затрати при їх виготовленні. Хоча ТПУ не отримали в нас широкого застосування, із-за значних витрат і складності обладнання, але вони є дуже перспективними, оскільки дозволяють утилізувати практично будь-яку низькотемпературну теплоту. Практика показала, що найбільш ефективними на сьогодні є парокомпресійні тепло помпові установки.

Коефіцієнт корисної дії тепло помпової установки враховує не тільки дроселювання, але і втрати в трубопроводах, в обладнанні при перетворенні первинної енергії в приводному двигуні і передачі її до двигуна. Так, в даному випадку, при використанні електричної енергії для роботи ТПУ визначити ККД її можна з виразу:



, (2.1)



де  - теплота, передана в конденсаторі;

 - робота стискування в компресорі від тиску  до ;

 - коефіцієнт корисної дії теплового потоку, який враховує втрати енергії і робочого агента в трубопроводах і обладнанні ТПУ;

 - електромеханічний коефіцієнт корисної дії двигуна і компресора;

 - коефіцієнт корисної дії джерела, яке виробляє додаткову електроенергію;

 - коефіцієнт корисної дії електричних ліній передач.

Для теплових насосів [17], що споживають електричну енергію, основною величиною, яка характеризує їх енергетичну ефективність є коефіцієнт перетворення  - відношення отриманого для обігріву тепла  до затраченої роботи :



. (2.2)



В більшості випадків теплові помпи використовують для опалення приміщення із значенням  в межах від 2 до 3. Це означає, що на кожну кілокалорію затраченої роботи з допомогою теплового насосу отримують 2 – 3 кілокалорії тепла при температурі необхідній для опалення. Коли тепловий насос повинен незначно підняти температуру теплоносія (наприклад, випарні установки), коефіцієнт перетворення збільшується до 10 і вище.

Теплові помпи – це складні технічні установки. Строк окупності теплового насосу незначний, він коливається від 2 до 3 років у залежності від конкретних умов. Треба також зазначити, що СПТ вимагають точного підрахунку низькотемпературного джерела енергії, визначення кількості тепла для корисного споживання і механічної енергії для роботи помпи. Низькотемпературним джерелом звично застосовують ґрунт прилеглої ділянки, а також зовнішнє повітря [6].

Помпи тепла на сучасному етапі є найдешевшим джерелом тепла для обігрівання приміщень і гарячого водопостачання, тепловий насос постачає у 3 – 5 разів більше енергії, ніж витрачає[6].



2.9.2 Область використання теплових насосів

В якості природного джерела тепла для зимового опалення ґрунт використовують все частіше ніж повітря та воду, хоча загальне число таких теплових насосів ще порівняно невелике.

Дослідження показали, що умови теплопередачі в ґрунті залежать головним чином від його вологості [10].

Дуже важливим є велика ємкість джерела тепла низького потенціалу. При малій ємності приходиться знижувати температуру кипіння речовини для отримання достатньої кількості тепла від теплоносія. При цьому температура теплоносія помітно змінюється в процесі теплообміну, в той час як температура кипіння лишається постійною низькою.



2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса

Практика зарубіжних країн, а також наших регіонів показує, що найбільш ефективними є на сьогодні є компресійні теплові насоси [17].

Компресійний тепловий насос складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючого середовища, в випарник.

Компресійний тепловий насос включає в себе постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор; виконаний у вигляді 2n секцій , де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається з поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресора розташовані ( n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднані через введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньо об'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, то робота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресорі прототипу, а це приводить до збільшення ексергійного ККД теплового насоса. Крім того, оскільки дно камери конденсатора розташовано вище дна камери випарника насичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатково гравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється у електроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого, збільшується ексергійний ККД теплового насоса.



2.9.4 Робоче тіло теплових насосів

В якості робочого тіла теплового насоса можуть бути виконані речовини (суміші), які мають основні властивості [14]:

низьку нормальну (при атмосферному тиску) температуру випаровування з тим, щоб процес випаровування при підводі низько потенціальної теплоти (в області значень температур навколишнього середовища) проходив при тиску дещо перевищуючим атмосферний, для виключення можливості підсосу повітря в контур робочого тіла;

невисокий тиск конденсації при необхідній температурі нагріву з метою знизити вимоги до конструкції компресора, яка визначається степеню стиску; гнучкі вимоги до компресора, конденсатора, охолодника конденсатора і з'єднувальних провідників, зменшення втрати енергії, яка залежить від наближення параметрів конденсації до критичних параметрів;

високу теплоту пароутворення в робочому інтервалі температур, що обумовлює високі значення тепло виробництва і коефіцієнт перетворення;

не токсичність, незапалюваність, вибухонебезпечність;

високу хімічну стабільність, хімічну інертність по відношенню до конструктивних матеріалів і змащувальних матеріалів.

За робоче тіло приймаємо аміак, оскільки цю речовину цілеспрямовано використовувати тільки в тих випадках, коли необхідне тепло невисокого потенціалу, так як вже при 60˚С тиск конденсації рівний 26.92 amм. При більш високих температурах конденсації температура кінця стиску може перевищити температуру спалаху масла.

Для використання аміаку в системах для виробництва тепла спеціально підвищують тиск конденсації чи пристроюють додаткову, так звану тепло насосну, ступінь стиску речовини.



2.9.5 Грунт як джерело низько потенційної теплової енергії

Як джерело низько потенційної теплової енергії можуть використовуватися підземні води з порівняно низькою температурою або ґрунт поверхневих (завглибшки до 400 м) шарів землі. Тепломісткість ґрунтового масиву в загальному випадку вища. Тепловий режим ґрунту поверхневих шарів землі формується під дією двох основних чинників – падаючої на поверхню сонячній радіації і потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні і добові зміни інтенсивності сонячної радіації і температури зовнішнього повітря викликають коливання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добових коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації залежно від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливається в межах від декількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило, 15–20 м.





Мал. 2.9.5.1 Графік зміни температури ґрунту залежно від глибини



Температурний режим шарів ґрунту, розташованих нижче за цю глибину («нейтральної зони»), формується під впливом теплової енергії, що поступає з надр землі, і практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (мал. 2.10.5.1). Із збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічного градієнта (приблизно 3 °C на кожних 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що поступає із земних надр, для різних місцевостей розрізняється. Для Центральної Європи ця величина складає 0,05–0,12 Вт/м2 .



2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократному заморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншим одночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться в поровом просторі, і багато інших.

Особливо слід зупинитися на впливі вологості ґрунтового масиву і міграції вологи в його паровому просторі на теплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низько потенційної теплової енергії.

У капілярно-пористих системах, яким є ґрунтовий масив системи теплозбору, наявність вологи в паровому просторі надає помітний вплив на процес розповсюдження тепла. Коректний облік цього впливу на сьогоднішній день зв'язаний із значними труднощами, які перш за все пов'язані з відсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої і газоподібної фаз вологи в тій або іншій структурі системи. До цих пір не з'ясовані природа сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність форм зв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщення вологи в паровому просторі.

За наявності в товщі ґрунтового масиву температурного градієнта молекули пари переміщаються до місць, що мають знижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних сил виникає протилежно направлений потік вологи в рідкій фазі. Окрім цього, на температурний режим верхніх шарів ґрунту робить вплив волога атмосферних опадів, а також ґрунтові води.



2.9.7 Види теплообмінників

Ґрунтові теплообмінники пов'язують теплонасосне устаткування з ґрунтовим масивом. Окрім «витягання» тепла землі, ґрунтові теплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) в ґрунтовому масиві. У загальному випадку можна виділити два види систем використання нізкопотенциальной теплової енергії землі:

- відкриті системи: як джерело низько потенційної теплової енергії використовуються ґрунтові води, що підводяться безпосередньо до теплових насосів;

- замкнуті системи: теплообмінники розташовані в ґрунтовому масиві; при циркуляції по ним теплоносія із зниженою щодо ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту і перенесення її до випарника теплового насоса (або, при використанні теплоносія з підвищеною щодо ґрунту температурою, його охолоджування).

Основна частина відкритих систем – свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту і повертати воду назад в ті ж водоносні шари. Зазвичай для цього влаштовуються парні свердловини. Достоїнством відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії при низьких витратах. Проте свердловини вимагають обслуговування. Окрім цього, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту і ґрунтових вод такі:

- достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;

- хороший хімічний склад ґрунтових вод (наприклад, низький вміст заліза), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладень на стінках труб і корозією. Схема такої системи приведена на малюнку .



Мал. 2.9.7.1 Схема відкритої системи використання низько потенційної енергії ґрунтових вод.





Замкнуті системи, у свою чергу, діляться на горизонтальні і вертикальні.

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник (у англомовній літературі використовуються також терміни «Ground heat collector» і «horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликій глибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використання горизонтальних ґрунтових теплообмінників обмежене розмірами наявного майданчика.

У країнах Західної і Центральної Європи горизонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладеними відносно щільно і сполучені між собою послідовно або паралельно (мал. 4а, б). Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників, наприклад, теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально або вертикально (мал. 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена в США.

Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальне функціонування можливе тільки за умови достатнього приходу тепла з поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище за теплообмінники повинна бути направлена до дії сонячних променів.



Мал. 2.9.7.2 Види гориознтальних ґрунтових теплообмінників





Види горизонтальних ґрунтових теплообмінників:

а) – теплообмінник з послідовно сполучених труб; б) – теплообмінник з паралельно сполучених труб; в) – горизонтальний колектор, укладений в траншеї; г – теплообмінник у формі петлі; д – теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky» колектор); е – теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.

Вертикальні ґрунтові теплообмінник дозволяють використовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, лежачого нижче за «нейтральну зону» (10–20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать від інтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні ґрунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком фрунтів з низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.



Мал.2.9.7.3

Схема опалення і гарячого водопостачання житлового будинку за допомогою ТНУ з вертикальним ґрунтовим теплообмінником





Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленових або поліпропіленових), укладених у вертикальних свердловинах завглибшки від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтових теплообмінників:

- U-подібний теплообмінник, що є двома паралельною трубою, сполученою в нижній частині. У одній свердловині розташовуються одна або дві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є відносно низька вартість виготовлення. Подвійні U-подібні теплообмінники – найбільш широко використовуваний в Європі тип вертикальних ґрунтових теплообмінників.

- Коаксиальний (концентричний) теплообмінник. Простим коаксиальним теплообмінником є дві труби різного діаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби. Коаксиальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.

Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальними теплопровідними матеріалами.

Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодопостачання будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може бути потрібно ціла група свердловин з вертикальними теплообмінниками.. Вертикальні ґрунтові теплообмінники коледжу «Richard Stockton College» в США розташовуються в 400 свердловинах завглибшки 130 м. У Європі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м) використовуються в системі тепло- і холодопостачання центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).

Окремим випадком вертикальних замкнутих систем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замоноліченними трубопроводами. Переріз такої палі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника приведений на малюнку 2.9.7.4.

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.



Мал.2.9.7.4

Схеми ґрунтових теплообмінників замонолічених в фундаментні палі будівлі, та поперечний переріз такої палі





2.9.8 "Стійкість" систем використання низько потенційного тепла землі

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.

Часто енергетичні ресурси для зниження періоду окупності устаткування експлуатуються дуже інтенсивно, що може привести до їх швидкого виснаження. Тому необхідно підтримувати такий рівень виробництва енергії, який би дозволив експлуатувати джерело енергетичних ресурсів тривалий час. Ця здатність систем підтримувати необхідний рівень виробництва теплової енергії тривалий час називається «стійкістю. Для систем використання низько потенційного тепла землі дано наступне визначення стійкості : «Для кожної системи використання низько потенційного тепла землі і для кожного режиму роботи цієї системи існує деякий максимальний рівень виробництва енергії; виробництво енергії нижче за цей рівень можна підтримувати тривалий час (100–300 років)». [ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy - suggested definition. IGA News no. 43. January-March, 2001. 1-2.]

Проведені в дослідження показали, що споживання теплової енергії з ґрунтового масиву до кінця опалювального сезону викликає поблизу регістра труб системи теплозбору пониження температури ґрунту, яке в ґрунтово-кліматичних умовах більшої частини території України не встигає компенсуватися в літній період року, і на початок наступного опалювального сезону ґрунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживання теплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальше зниження температури ґрунту, і на початок третього опалювального сезону його температурний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Однак криві теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплозбору на природний температурний режим ґрунту мають яскраво виражений експоненціональний характер, і до п'ятого року експлуатації ґрунт виходить на новий режим, близький до періодичному, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації, багаторічне споживання теплової енергії з ґрунтового масиву системи теплозбору супроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, при проектуванні теплонаносних систем теплопостачання є необхідним облік падіння температур ґрунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системи теплозбору, і використання як розрахункові параметри температур ґрунтового масиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСУ .

У комбінованих системах, використовуваних як для тепло-, так і для холодопостачання, тепловий баланс відновлюється «автоматично»: у зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолодження ґрунтового масиву, в літній час (потрібний холодопостачання) – нагрів ґрунтового масиву. У системах, використовуючих низькопотенційне тепло ґрунтових вод, відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, що просочується з поверхні, і води, що поступає з глибших шарів ґрунту. Таким чином, тепломісткість ґрунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок тепла атмосферного повітря), так і «знизу» (за рахунок тепла землі); величина теплопонадходжень «зверху» і «знизу» залежить від товщини і глибини залягання водоносного шару. За рахунок цих теплонадходжень температура ґрунтових вод залишається постійною протягом всього сезону і мало змінюється в процесі експлуатації.

У системах з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками ситуація інша. При відведенні тепла температура ґрунту навколо ґрунтового теплообмінника знижується. На пониження температури впливають як особливості конструкції теплообмінника, так і режим його експлуатації. Наприклад, в системах з високими величинами теплової енергії (декілька десятків Ватт на метр довжини теплообмінника), що відводиться, або в системах з ґрунтовим теплообмінником, розташованим в ґрунті з низькою теплопровідністю (наприклад, в сухому піску або сухому гравії) пониження температури буде особливо помітним і може привести до замерзання ґрунтового масиву навколо ґрунтового теплообмінника.

Німецькі фахівці провели вимірювання температури ґрунтового масиву, в якому влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник завглибшки 50 м, розташований недалеко від Франкфурта-на-Майні. Для цього навколо основної свердловини на відстані 2,5, 5 і 10 м від було пробурено 9 свердловин тієї ж глибини. У всіх десяти свердловинах через кожних 2 м встановлювалися датчики для вимірювання температури – всього 240 датчиків. В кінці опалювального сезону добре помітно зменшення температури ґрунтового масиву навколо теплообмінника. Виникає тепловий потік, направлений до теплообмінника з навколишнього ґрунтового масиву, який частково компенсує зниження температури ґрунту, викликане «відбором» тепла. Величина цього потоку в порівнянні з величиною потоку тепла із земних надр в даній місцевості (80–100 Мвт/м2) оцінюється достатньо високо (декілька ватів на квадратний метр).

Оскільки відносне широке розповсюдження вертикальні теплообмінники почали отримувати приблизно 15–20 років тому, у всьому світі відчувається недолік експериментальних даних, отриманих при тривалих (декілька десятків років) термінах експлуатації систем з теплообмінниками такого типу. Виникає питання про стійкість цих систем, про їх надійність при тривалих термінах експлуатації. Чи є низькопотенційне тепло землі поновлюваним джерелом енергії? Який період «відновлення» цього джерела?

З 1986 року в Швейцарії, недалеко від Цюріха, проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками . У ґрунтовому масиві був влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник коаксіального типу завглибшки 105 м. Цей теплообмінник використовувався як джерело низько потенційної теплової енергії для теплонасосної системи, встановленої в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожен метр довжини, що створювало значне теплове навантаження на навколишній ґрунтовий масив. Річне виробництво теплової енергії складає близько 13 МВт.

На відстані 0,5 і 1 м від основної свердловини були пробурені дві додаткових, в яких на глибині в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 і 105 м встановлено датчики температури, після чого свердловини були заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожні тридцять хвилин. Окрім температури ґрунту фіксувалися і інші параметри: швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора температура повітря і тому подібне.

Перший період спостережень продовжувався з 1986 по 1991 рік. Вимірювання показали, що вплив тепла зовнішнього повітря і сонячної радіації наголошується в поверхневому шарі ґрунту на глибині до 15 м. Нижче за цей рівень тепловий режим ґрунту формується головним чином за рахунок тепла земних надр. За перших 2-3 року експлуатації температура ґрунтового масиву, що оточує вертикальний теплообмінник, різко знизилася, проте з кожним роком пониження температури зменшувалося, і через декілька років система вийшла на режим, близький до постійному, коли температура ґрунтового масиву навколо теплообмінника стала нижча первинної на 1-2 °C.

Восени 1996 року, через десять років після початку експлуатації системи, вимірювання були відновлені. Ці вимірювання показали, що температура ґрунту істотним чином не змінилася. У подальші роки були зафіксовані незначні коливання температури ґрунту в межах 0,5 °C залежно від щорічного опалювального навантаження. Таким чином, система вийшла на квазістаціонарний режим після перших декількох років експлуатації.

На підставі експериментальних даних були побудовані математичні моделі процесів, що проходять в ґрунтовому масиві, що дозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури ґрунтового масиву.

Математичне моделювання показало, що щорічне пониження температури поступово зменшуватиметься, а об'єм ґрунтового масиву навколо теплообмінника, схильного до пониження температури, з кожним роком збільшуватиметься. Після закінчення періоду експлуатації починається процес регенерації: температура ґрунту починає підвищуватися. Характер протікання процесу регенерації подібний до характеру процесу "відбору" тепла: у перші роки експлуатації відбувається різке підвищення температури ґрунту, а в подальші роки швидкість підвищення температури зменшується. Тривалість періоду "регенерації" залежить від тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. У даному випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнював тридцяти рокам, і період "регенерації" також оцінюється в тридцять років. [Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems - the European experience. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2006.]

Таким чином, системи тепло- і холодопостачання будівель, використовуючи низькопотенційне тепло землі, є надійним джерелом енергії, яке може бути використаний повсюдно. Це джерело може використовуватися протягом достатнього тривалого часу і може бути відновлений після закінчення періоду експлуатації.



2.9.9 Порівняння ТНС з котельнею

При порівнянні ТНС з котельнею забезпечується співставність варіантів по кінцевому енергетичному ефекту: нагріта вода подається в теплову мережу по однаковому температурному графіку. В варіанті з ТСН котельня використовується тільки в якості пікового джерела теплопостачання в особливо в холодну пору року, тому річне споживання палива на ТНС значно менше, ніж в котельні. Але на вироблення споживаної ТНС електричної енергії використовується паливо на електростанції.

Економія палива на ТНС в порівнянні з котельнями може складати в закритих системах теплопостачання 20 – 26%, в відкритих – 28 – 34%. Якщо частковий розхід умовного палива на виробництво електроенергії прийнято тільки по конденсаційним електростанціям (без врахування ТЕЦ), то розрахункова економія палива в закритих системах знизиться до 16 – 21%, в відкритих до 24 – 29%.

В цілому можна говорити, що від використання ТНС як в відкритій, так і в закритій системах теплопостачання можна очікувати суттєвої економії палива (15 – 30%) [15].



2.9.10 Переваги теплонасосної системи опалення приміщення в порівнянні з котельнею

Складаючи техніко-економічні показники теплонасосної системи опалення приміщення з котельнею по одночасним затратам і експлуатаційним витратам, можна зробити наступні висновки [13]:

опалювальні теплонасосні установки потребують збільшення (більше ніж в 2 рази) одночасних затрат на обладнання в порівнянні з котельними. Зменшення затрат на теплові помпи може бути досягнути використанням електронагрівачів для зняття пікових навантажень. Більш всього економічно оправдовують себе системи, при яких тепловий насос літом використовується для кондиціонування повітря. При цьому значно скорочуються строки окупності обладнання;

експлуатаційні витрати на тепло насосну установку зазвичай нижчі, ніж для котельних. Основні витрати падають на паливо для котельні і електроенергію для теплового насоса.




3. Вибір власного теплового насосу



3.1 Вибір моделі теплового насосу



Зимній холод змушує задуматись над надійною системою опалення. Для мешканців сотень тисяч заміських будинків, куди не дотягнулись труби районних котелень, це гостра проблема.

Своєрідність ринку теплових насосів полягає в тому, що не можна просто прийти і вказати на агрегат, який сподобався. Моделі представлені тільки в каталогах, і їх нема на складі. Ваш вибір тільки покладе початок обговоренню. Спеціалісти фірми старанно працюють з проектом щоб визначити тепловтрати будівлі, і з доступною ділянкою – щоб визначити її енергетичний потенціал. Вибраний вами ТН може бути змінений (немов костюм по фігурі) - по суті виконуватиметься на замовлення, і у вас буде через місяць. Все ж первинний вибір важливий, від цього залежить успіх справи.

По-перше ТН рекомендується використовувати для низькотемпературних систем опалення.(підлогове водяне, повітряне)

По-друге дім слід добре теплоізолювати. Крім того, рекомендується використання ТН в так званих бівалентних системах опалення. Це значить, що крім ТН в системі працює ще один постачальник тепла.



3.2 Вказівки за розрахунком - ґрунт як джерело тепла



Ґрунтовий тепловий колектор повинен бути розрахований на холодильну потужність теплового насоса. При заміні застарілого теплового насоса на нову модель слід перевірити потужність колектора і, при необхідності, погоджувати з новою холодильною потужністю. Енергія, закумульована в ґрунті, поступає майже виключно через його поверхневий шар. При цьому основним постачальником енергії є сонячне випромінювання. Притоку тепла зсередини землі менше 0,1 Вт/м2 і ним можна знехтувати. Транспорт тепла в ґрунті здійснюється майже виключно за рахунок теплопровідності, причому коефіцієнт теплопровідності ґрунту збільшується з підвищенням вмісту вологи. Так само, як і теплопровідність, теплоакумулююча здатність ґрунту визначається, головним чином, вмістом вологи в ґрунті. Замерзання вологи, що міститься в ґрунті, приводить до помітного підвищення кількості отримуваної енергії, оскільки прихована теплота танення, складає 0,09 кВтч/кг, тобто дуже висока. Таким чином, утворення льоду навколо прокладених у ґрунті змійовиків зовсім не є недоліком.

Для тих, хто володіє достатньою кількістю землі або ґрунтової води, насоси сольовий розчин/вода або вода/вода ідеальні як теплові насоси. Пластикові трубопроводи ґрунтового колектора або геотермічного зонда, що прокладаються в землі, в яких циркулює теплоносій, підводять енергію для теплового насоса. Але також вода з природних джерел і з поверхні озер і річок може бути джерелом тепла. В більшості випадків це ґрунтова вода з природних джерел (наприклад, джерел). Тепло навколишнього середовища вилучається через теплообмінник з води з температурою від +7°С до +12°С.

Комплектація

Щоб покрити велику площу опалювання нашими серійними тепловими насосами можна застосовувати декілька приладів одночасно. Для цього існують комплекти, які складаються з двох насосів з аксесуарами.

Техніка

Один пристрій для обох випадків використання. Після відключення пристрою захисту від замерзання, тепловий насос Вода/Вода використовується як тепловий насос Сольовий розчин/ Вода. Монтаж здійснюється в непромерзаючих приміщеннях.

Управління відповідно до розмірів.

Управління тепловим насосом здійснюється за допомогою пристрою управління тепловим насосом, який переважно розташований поблизу від теплового насоса або встановлений безпосередньо в тепловий насос.

Тепло "витягується" з навколишнього середовища через теплообмінник

Отримувана при цьому енергія разом з теплом компресором, що виділяється, підводиться до теплообмінника (дефлегматору) насоса. Залежно від потреби в обігріві, гаряча вода може підігріватися до температури від 15°С до 60°С. Передумовою для бездоганної роботи є належне професійного виконання системи джерела тепла. Для експлуатації як тепловий насос Сольовий розчин/ Вода, відповідно до планових документів і вказівок виробника створюється абсорбер з великою площею поверхні (ґрунтовий колектор, геотермічний зонд). При застосуванні теплового насоса вода/вода проводиться установка джерела в відповідності з плановими документами і вказівками виробника. При цьому необхідно брати до уваги холодотворність теплового насоса.



3.3 Встановлення обладнання



Прокладка труб

Пластикові труби діаметром 25 х 2,3 мм завдовжки до 60 м прокладаються в ґрунті. Збірка здійснюється кваліфікованим підприємством по виробництву бурових робіт. Геотермічний зонд завдовжки, наприклад, 50 м складається з

200 метрів ПЕ труб (2 х 50 м - подаюча лінія, 2 х 50 м - зворотна лінія).

Розпорядження

При облаштуванні геотермічних зондів завглибшки не більше 100 м необхідно повідомити про це відповідну організацію і отримати її дозвіл. При глибинах понад 100 м потрібне спеціальне узгодження.

Вказівки по установці:

- розподільник і колектор повинні розташовуватися так, щоб в майбутньому бути доступними при оглядах, наприклад, у власних розподільних шахтах або в приямках підвальних вікон зовні удома - всі труби, що прокладаються, і фітинги повинні бути виготовлені з матеріалів, стійких до корозії;

- всі трубопроводи в будинку і фітинги, що проходять крізь стіни, повинні бути герметизовані від дифузії пари, щоб перешкоджати утворенню конденсату, оскільки в підвідних і відвідних трубопроводах, циркулює сольовий розчин з температурою нижчою, ніж температура в підвалі;

- для заповнення системи необхідно передбачити відповідні пристрої;

- концентрат сольового розчину спочатку змішайте з водою і лише після того заливайте в систему;

- щоб геотермічні зонди можна було безперешкодно продувати, труби повинні прокладатися з підйомом в напрямі до колектора;

- оскільки при різних температурах має місце зміна об'єму сольового розчину, необхідна запобіжна арматура і розширювальні баки ;

- перед введенням в експлуатацію, всю систему геотермічного зонда, включаючи розподільник і сполучний трубопровід, слід випробувати під тиском після заправки сольовим розчином ;

- споруда і експлуатація геотермічного зонда підлягає реєстрації;

- при додаванні у воду антифризу міняється в'язкість теплоносія. При ростанні частки антифризу, сольовий розчин стає в'язкішим. Це впливає на планування роботи насоса. Оскільки в'язкість сильно впливає через коефіцієнт тертя на втрати тиску, це повинно братися до уваги при визначенні параметрів насоса (поправочний коефіцієнт 1,5).

Циркуляційний насос

Циркуляційний насос для контуру джерела тепла повинен розраховуватися виходячи з умов, характерних для цієї системи. Для визначення параметрів колодязного насоса в основу закладаються наступні дані:

- Витрата теплового насоса (з боку джерела тепла)

- Перепад тиску теплового насоса (з боку джерела тепла)

- Перепад тиску в трубопроводі від огорожного колодязя до скидного колодязя

- Перепад тиску в арматурі, наприклад на кульковому зворотному клапані (добавка близько 30% до різниці тиску в трубопроводі)

- Втрати тиску в скидному колодязі (емпіричне значення близько 200 гПа)

- Геодезична висота натиску (у системі, замкнутій з боку колодязя)

Знаючи суму всіх перепадів тиску і величину витрати теплового насоса, з діаграм від виробника можна вибрати колодязний насос.

Температура води

Теплові насоси можуть експлуатуватися в режимі "тепловий насос Вода/Вода" при температурах джерела тепла не менше +7 ° С.

Контроль витрати

(Слід проводити при першому введенні в експлуатацію). Зміряйте температуру подаючої і зворотної лінії з боку джерела тепла. З обох зміряних значень визначите різницю температур і шляхом обчислень знайдіть витрату.

Під'єднання

Щоб перешкодити передачі шумів, контур теплового джерела слід під'єднувати гнучкими напірними шлангами. Якщо в колодязну воду поступають підвищені кількості твердих речовин (пісок, дрібна суспензія і тому подібне) (аналіз води), слід встановити фільтри попереднього очищення або басейн-відстійник. Інакше може відбутися засмічення випарника.

Характеристика води

Щоб можна було ухвалити рішення про застосування теплового насосу Вода/Вода, погодившись з його стійкістю до корозії і щоб уникнути порушень в системі джерела тепла, можливість використання слід оцінювати на підставі аналізу води і нижченаведених даних для порівняння. Для вирішення важливі наступні результати аналізу: Значення концентрацій домішок у воді не повинні бути вище, ніж:

Величина рН від 6,5 до 9

Хлорид <300 міліграм/л

Вільні хлориди <0,5 міліграм/л

Нітрат <100 міліграм/л

Сульфат <100 міліграм/л

Вільна вугільна кислота <20 міліграм/л

Залізо і марганець <1 мг/л*

Кисень <2 міліграми/л

Електропровідність від 50 до 1000 мС/см

* Це значення змісту домішок у воді повинне підтримуватися, щоб

запобігти забрудненню випарника і його підведення, а також забрудненням всмоктуючого колодязя охрою.

Вибір розміру циркуляційного насосу розсолу

Об'ємна витрата розсолу повинна бути узгоджена з потужністю теплового насоса і повинна забезпечуватися циркуляційним насосом розсолу.

Разом з об'ємною витратою необхідно враховувати гідравлічні опори в контурі установки розсолу і технічні дані виготівника насоса. При цьому втрати тиску в послідовно включених трубопроводах, вбудованих пристроях і теплообмінниках повинні підсумовуватися. Гідравлічний опір для суміші води з антифризом (25%) в порівнянні з водою повинен прийматися більшим, з поправочним коефіцієнтом від 1,5 до 1,7.

Концентрація розсолу

Щоб уникнути обмерзання випарника у воду на стороні джерела тепла слід додавати антифриз. При прокладці змійовиків в ґрунті температури, що виникають в холодильному контурі, вимагають захисту від заморожування при 14 °C. Застосовується антифриз на основі моноетилгліколя. Концентрація розсолу при прокладці в ґрунті складає від 25% до, максимум, 30%.

Температура замерзання

Концентрація розсолу визначається запланованим діапазоном робочих температур.

Вказівки, які слід виконати:

- отримайте згоду у відповідній організації;

- перевірте наявність ґрунтових вод і їх придатність до використання (аналіз води);

- на підставі аналізу води перевірте можливість застосування теплового насоса;

- облаштування основного колодязя і скидного колодязя на відстані приблизно 15 м;

- облаштування колодязя відповідно до особливих вимог до приміщення для установки;

- потрібний відповідний стінний прохід для колодязного пристрою;

- витримуйте відстані від стін (сервіс);

- під'єднуйте трубопроводи підвідних і зворотних ліній до теплового насоса за допомогою гнучких сполучних шлангів;

- у разі потреби облицьовуйте стіни приміщення, де розміщується устаткування, матеріалами з високим звукопоглинанням;

- беріть до уваги прокладку кабелів і під'єднання електроживлення;




4. Теоретичний експеримент



Для того, щоб унаочнити економічну доцільність використання ТНС я провів розрахунок енергозбереження і зниження витрат на опалення і гаряче водопостачання при установці геотермального теплового насоса Thermia Diplomat 16. Розрахунок проведений для індивідуального житлового будинку площею 300 кв. метрів. Вартість 1 кВт електроенергії прийнята 0.24 грн., вартість 1000куб.м. газу - 980,00 грн. Вихідні дані:



 Максимальна необхідна потужність, кВт

21

 Річна потреба тепла для опалення, кВт/год

59240

 Річна потреба тепла для гарячого водопостачання, кВт/год

5000

 Загальні річні потреби тепла, кВт/год

64240

 Розрахункова температура в приміщенні, С

20



Розрахункові дані:



 Енергія, що отримується від теплового насоса за рік, кВт/год

57410

 Енергія, яку тепловий насос споживає за рік, кВт/год

14990

 Додаткова необхідна енергія за рік, кВт/год

1830

 Загальне споживання електроенергії за рік, кВт/год

16820

 Загальна економія енергії за рік, кВт/ч

47420

 Загальна економія енергії за рік, всього , %

74%



Розрахунок вартості:

 Вартість опалення газом, грн.

7840

 Вартість опалення на електроенергії, грн.

15420

 Вартість опалення тепловим насосом , грн.

4040

 Економія в порівнянні з опаленням газом, грн. /%

2460/62

 Економія в порівнянні з опаленням на електроенергії, грн. /%

11380/382



Якщо порівнювати встановлення теплового насосу с ґрунтовим теплообмінником і встановлення котельні на дизельному паливі з паливним господарством ,димовою трубою і автоматикою, різниця в вартості нівелюється за 3-5 років.




5. Недоліки теплових насосів



Як і в будь-якій установці, в дійсному циклі теплового насоса є свої недоліки. Для теплової помпи – це відхилення від теоретичного [13]:

необоротність процесу стиску речовини в компресорі;

необоротні втрати внаслідок кінцевої різниці температур між речовиною і теплоносієм в процесі відводу теплоти перегріву;

необоротні втрати внаслідок кінцевої різниці температур між речовиною і теплоносієм в процесі відводу теплоти конденсації;

необоротні втрати внаслідок кінцевої різниці температур між

речовиною і теплоносієм в процесі переохолодження речовини;

втрати в результаті дроселювання речовини;

необоротні втрати із-за кінцевої різниці температур в процесі випаровування речовини в випарнику;

втрати пов'язані з необоротною теплопередачею між речовиною і стінками циліндрів в процесі всмоктування;

втрати від тертя в рухомих частинах установки.

Це означає, що систему опалення чи гарячого водопостачання слід планувати таку, що вимагає температуру теплоносія на вході 50-60˚ С.

Загалом, єдиним істотним недоліком теплових насосів є їх ціна.




6. Структурно-функціональний аналіз виробничого процесу та розроблення моделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій



Підбір місця розташування для встановлення компресійного теплового насоса та його обладнання здійснюється за такими вимогами, як здатність конструкцій стін витримати навантаження від каскаду апаратів насоса, достатня площа приміщення для всього набору апаратури, підключення до електромережі, влаштування заземлення або занулення даної системи опалення, оптимально розраховане необхідне природне і штучне освітлення, а також вентиляція.

Компресійний тепловий насос містить постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор, який відрізняється тим, що він виконаний в вигляді 2n секцій, де n = 1,2,3..., кожна з яких виконана з об'єднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, у поршні компресора розташовано n клапанів, причому камери випарника та конденсатора з'єднані через гідроагрегат, який розташований між ними та має висоту меншу ніж відстань між днищами випарника та конденсатора.

У зображеннях процесів формування, виникнення аварій та виробничих травм усі випадкові події, що утворюють конкретну аварійну ситуацію, пов'язані між собою причинно-наслідковими зв'язками.

Метод логічного моделювання потенційних аварій, травм та катастроф відкриває можливість розробити досконалу систему управління БЖД виробництва, яка базується на оперативному пошуку виробничих небезпек, їх глибокому аналізі й терміновому прийнятті заходів для усунення потенційних небезпек ще до виникнення травмонебезпечних та катастрофічних ситуацій.

Найбільш небезпечними факторами, які можуть впливати на етап роботи людини є електропроводи, трубопроводи гарячої води тощо. При експлуатації і ТО теплової помпи обслуговуючий персонал повинен більше приділяти уваги цим вузлам.

На рис.6.1 та 6.2. показано деякі логічні моделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій.



НУ1 → НУ2 → Т



Рис. 6.1. Модель травмонебезпечної ситуації з наслідком ураження обслуговуючого персоналу електричним струмом: НУ1 – небезпечна умова 1 – обрив захисного провідника; НУ2 – поява потенціалу на металевому корпусі; Т – травма – ураження обслуговуючого персоналу електрострумом.



НУ1 → НС1 → НС2 → НС3 → НС4 → А

↑ ↓

НД1 НС5 → Т

↑

НД2

Рис. 6.2. Модель травмонебезпечної та аварійної ситуації під час експлуатації компресора теплового насоса:



НУ1 – небезпечна умова 1 – зменшення рівня масла через те, що вийшов з ладу підшипник-сальник; НС1 – небезпечна ситуація 1 – вихід з ладу підшипників; НС2 – перекіс вала компресора; НС3 – перегрів поршнів та шатунів; НС4 – розрив корпуса компресора; НС5 – витік холодоагенту; НД1 – небезпечна дія 1 – працівник несвоєчасно помітив несправність по зовнішніх ознаках; НД2 – працюючий знаходився в небезпечній зоні; А – аварія; Т – травма.

Парові та водогрійні котли, компресори, теплові помпи є небезпечними установками, тому, що назовні виривається нагріта вода і пара. У зоні нагрітої атмосфери нагріта вода миттєво випаровується (1 л води утворює майже 1700 л пари), утворюючи вибухову хвилю. Енергія вибуху прямо залежить від тиску в установці перед аварією і температурою води.

Основними причинами вибухів є: порушення водного режиму установки; дефекти проектування, виготовлення та ремонт установки; упускання води тощо.

Упускання води в установці може статися внаслідок несправності контрольно-вимірювальної апаратури, порушення контролю обслуговуючим персоналом, несправності апаратури і пристроїв підживлення помпи та інші.

Порушення водного режиму може призвести до відкладання на внутрішніх стінках помпи тепло непровідного шару накипу з різних солей.

Солі кальцію Ca(HCO3)2 і магнію Ma(HCO3) всередині утворюють шлам, як можна видаляти продувкою та промивання установки.

Сірчанокислий кальцій (CaSO4) на поверхнях відкладається у вигляді міцного шару, який може призвести до їх перегрівання, утворення випучних, а іноді і до руйнування стінок установки.

Недоліки конструювання та виготовлення можуть викликати нерівномірність нагрівання окремих елементів установки. Це спричиняє до температурних тріщин.

Вода і димові гази можуть викликати корозію, яка знижує механічну міцність установки, що також може призвести до аварії.

У процесі експлуатації теплових помп можуть виникати й інші причини аварійних ситуацій.

Досвід застосування помп свідчить, що такі установки можна експлуатувати безпечно при дотриманні спеціальних правил і відповідних умов.

Правильно вибраний водний режим запобігає утворенню накипу, шламу, виникненню корозії. Відповідно до водного режиму встановлюються норми якості води, режими продувки та графіки зупинки установки для очищення. Важливим технічним заходом є видалення шламу, що досягається періодичним продуванням помпи. Цей захід проводять із дотриманням спеціальних вимог безпеки.

Захист теплових помп від корозії (хімічної й електрохімічної) здійснюють шляхом зниження агресивності середовища, підвищенням антикорозійної стійкості металу, ізоляції металевої поверхні від агресивного середовища та іншими способами.

Для забезпечення безаварійної роботи помп їх обладнують необхідною апаратурою і контрольно-вимірювальними приладами: автоматичною апаратурою контролю.

Проектування, випробування і експлуатація таких установок повинні відповідати вимогам Правил влаштування і безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском.

Відповідно до Правил установки встановлюють на відкритих майданчиках в місцях, де не буває скупчення людей, а також в окремих будівлях. Допускається встановлення теплових помп у приміщеннях, що прилягають до виробничих будівель і мають капітальну стіну в інших приміщеннях передбачених галузевими правилами або за дозволом відповідного міністерства. При встановленні установки необхідно передбачити можливість їх вільного огляду, ремонту і очищення.

Правилами передбачені спеціальні вимоги до конструкції теплової помпи. Вони мають бути надійними і безпечними в експлуатації, зручними при монтажі, ремонті, випробуваннях, технічних освідченнях тощо. При розробці конструкції установка розраховується на міцність відповідно до існуючих стандартів і нормативно-технічної документації.

Електричне обладнання і заземлення теплових помп виконується відповідно до вимог ПУЕ.

Для живлення установки встановлюють не менше двох насосів.

Для обслуговування теплових помп допускають осіб не менше 18 років, що пройшли медичний огляд, склали іспити за спеціальною програмою і одержали кваліфікаційне посвідчення.

Для встановлення справності і надійності устаткування і його обладнання і можливості їх подальшої безпечної експлуатації виконують технічне освідчення. Технічне освідчення буває первинним, протягом якого перевіряють розміщення теплової помпи і обладнання, а також їх відповідність вимогам заводської (інструкції) документації з експлуатації, правильність включення помпи у відповідну мережу, стан приміщення котельні, наявність виробничих інструкцій та інструкцій з техніки безпеки, та періодичним, коли встановлюють справність і надійність помпи і обладнання для подальшої експлуатації.

Технічне освідчення включає такі операції як огляд (зовнішній та внутрішній) і випробування.

Операції, методи і періодичність технічних освідчень визначені підприємствами-виробниками, вони зазначені у паспортах та інструкціях з монтажу й безпечної експлуатації. Для проведення технічного освідчення установку зупиняють, охолоджують, звільняють від робочого середовища, відключають від мережі відповідними заглушками, очищають. Результати технічних освідчень записують у паспорт, де зазначають також терміни наступного освідчення.

Дозвіл на експлуатацію установки, що не підлягає реєстрації, видає особа, призначена адміністрацією підприємства, на підставі документів заводу–виробника після технічного освідчення і перевірки організації обслуговування установки.






Список літератури



Абрамов Н.Н. Водоснабжение.- М.:Стройиздат, 1982.

Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы.- М.:Машиностроение, 1982.

Долгачев Ф.М., Лейко В.С. Основы гидравлики и гидропривода.- М.:Стройиздат, 1981.

Дурнов П.И. Насосы, вентиляторы, компресоры.- Киев- Одесса: Вища школа, 1985.

Исаев А.П., Сергеев Б.И., Дидур В.А. Гидравлика и гидромеханизация сельскохозяйственных процесов.- М.: Агропромиздат, 1990.

Ерхов Н.С., Мисенов В.С., Ильин Н.И. Сельскохозяйственная мелиорация и водоснабжение.- М.: Колос, 1983.

Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский А.А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения.- М.: Высшая школа, 1984.

Николадзе Г.И. Гидравлика, водоснабжение и канализация сельских пунктов.- М.:Стройиздат, 1982.

Оводов В.С. Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение.- М.:Колос, 1984.

СниП 2.04.02-84 “Водоснабжение. Наружные сети и сооружения”.- М., 1985.

Справочник по механизации орошения под редакцией Штепы Б.Г.- М.: Колос,1979.

Синев Н.М. Бессальниковые водяные насосы.- М.: Атомиздат, 1972.

Тугай А.С., Терновец В.Е. Водоснабжение. Курсовое проектирование.- Киев: Вища школа, 1980.

Усаковский В.М. Водоснабжение в сельском хозяйстве.- М.: Колос, 1981.

Чугаев Р.Р. Гидравлика.- Л.:Энергия, 1982.

Штеренлихт Д.В. Гидравлика.- М.: Энергоатомиздат, 1984.

Хохловкин Д.М. Глубинные насосы для водопонижения и водоснабжения.-М.: Недра, 1971.

Циклаури Д.С. Гидравлика, сельскохозяйственное водоснабжение и гидросиловые установки.-М.: Стройиздат, 1970.

Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. Кисилева П.Г.-М.: Энергия, 1972.

Справочник по гидравлике / Под ред. Большакова В.А.-К.: Вища школа, 1979.

Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка.-Львів: Світ, 1994.

Рогалевич Ю.П. Гідравліка.-Київ: Вища школа, 1993.

Мельниченко Д.Ю., Лаврентьев М.В., Горелкін А.В. Гідравліка, гідросилові установки і основи сільськогосподарського водопостачання.-Київ: Урожай-1969.

Азарх Д.Н., Попова Д.Н., Монахова Л.П. Насосы.- М.: Машиностроительная литература- 1960.



2