Применение низкопотенциальных промышленных выбросов для энергосбережения с помощью теплового насоса

УДК 621.31:662.613 М. Г. Гарипов

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Ключевые слова: энергия, тепло, насос.

Исследована возможность применения тепловых насосов для утилизации тепла низкопотенциальных промышленных выбросов. Показано, что тепловые насосы обеспечивают значительное энергосбережение за счет использования тепла низкопотенциальных промышленных выбросов для отопления и кондиционирования производственных и жилых помещений.

Keywords: energy, heat, pump.

Investigated the possibility of using heat pumps for heat recovery of low-grade industrial emissions. It is shown that heat pumps provide significant energy savings through the use of low-potential heat emission of industrial heating and cooling industrial and residential premises.

В последние годы энергосбережению уделяется большое внимание [1-2]. В настоящее время исследования в области энергетики и энергосбережения ведутся по нескольким направлениям: 1)поиск и разработка новых способов производства энергии; 2)совершенствование традиционных способов выработки энергии; 3)повышение КПД энергопотребляющих устройств и установок; 4)разработка энергосберегающих процессов и производств; 5)использование энергии производственных и непроизводственных выбросов и т. д.

Различают газовые и паровые (выбрасываются в атмосферу) и жидкостные выбросы. Газовые выбросы - производственные, вентиляционные и другие. К жидкостным выбросам относятся, например, сточные воды (промышленные, коммунальные и т.д.). По энергетическому потенциалу выбросы делятся на

низкопотенциальные и высокопотенциальные. Высокопотенциальные выбросы имеют достаточно высокую температуру. Их можно использовать непосредственно, снимая тепло пропусканием через теплообменник. Для использования тепла низкопотенциальных выбросов требуется источник внешней энергии. Таким источником энергии может служить тепловой насос, питающийся из электросети. Тепловой насос содержит 4 основных узла: компрессор, конденсатор, испаритель и дроссель. Они связаны между собой трубками, т.е. образуют внутренний циркуляционный контур. В тепловом насосе циркулирует хладагент, например, дифтордихлорметан (фреон-12). Компрессор сжимает пары хладагента до высокого давления. При резком сжатии хладагент сильно разогревается (на несколько десятков градусов). Затем сжатые пары хладагента конденсируются в конденсаторе, отдавая тепло теплоносителю (например, воде) из внешнего циркуляционного контура, т.е. из отопительной системы производственного или жилого помещения. Далее при прохождении хладагента через дроссель его давление сильно падает, при этом он резко охлаждается (до отрицательных значений температуры). Затем хладагент испаряется в испарителе, получая тепло,

например, от бросового потока. Далее рабочий цикл теплового насоса повторяется. Таким образом, хладагент играет роль промежуточного теплоносителя между источником

низкопотенциального тепла и теплоносителем из отопительной системы.

Важный показатель теплового насоса -коэффициент трансформации [3]. Это отношение тепловой мощности теплового насоса к потребляемой им энергии. При расходовании 1кВт электроэнергии тепловой насос может развить 3-7 кВт тепловой мощности. Чем меньше разность температур хладагента в конденсаторе и испарителе, тем выше коэффициент трансформации теплового насоса. Вследствие этого через испаритель теплового насоса нужно пропускать большое количество низкопотенциального теплоносителя, при этом разность температур хладагента в конденсаторе и испарителе будет небольшая, и тепловой насос будет функционировать достаточно эффективно. На первый взгляд, кажется странным, что тепловой насос, потребляя незначительное количество энергии способен развивать большую тепловую мощность. Но в этом нет нарушения закона сохранения энергии. Как же это объяснить? Известно, что фазовые переходы имеют большие тепловые эффекты. Роль компрессора заключается не только в повышении энергетического потенциала хладагента (увеличение давления и температуры), но и в создании условий для его конденсации. Температура паров хладагента должна быть значительно выше температуры теплоносителя из отопительного контура, а давление должно быть достаточно для конденсации паров хладагента. Функция дросселя состоит не только в снижении энергетического потенциала хладагента

(уменьшение давления и температуры), но и в обеспечении условий для его испарения. Температура жидкого хладагента должна быть существенно ниже температуры

низкопотенциального источника, а давление должно способствовать испарению хладагента. За счет фазовых переходов удается перенести от низкопотенциального теплоносителя к

теплоносителю из внешнего контура значительное

количество тепла. При этом потребляемая компрессором энергия на сжатие паров хладагента достаточно мала (нет фазового перехода). Этим объясняются большие значения коэффициента трансформации теплового насоса. В этом же заключается причина высоких значений холодильного коэффициента холодильника [4]. Впрочем, тепловой насос может работать и как холодильник, например, может использоваться для кондиционирования производственных или жилых помещений летом (в жаркую погоду). Кроме того, тепловой насос способен подогревать воду для бытовых нужд, т. е. для горячего водоснабжения.

Достоинства тепловых насосов - высокий коэффициент трансформации, экологичность, безопасность, низкий уровень шума, возможность работы в двух режимах (для отопления зимой и кондиционирования летом), отсутствие

необходимости в специальном обслуживании, длительный срок эксплуатации до капитального ремонта (15-20 лет). К недостаткам тепловых насосов можно отнести дороговизну, большую поверхность отопительных приборов, ограничение

максимальной температуры на выходе из теплового насоса (55-70°С) [5].

Таким образом, можно эффективно использовать тепловую энергию низкопотенциальых газовых и жидкостных промышленных выбросов для отопления и кондиционирования производственных и жилых помещений

Литература

1. Гарипов М.Г. Ветроэнергетика. Вестник Казан. Технол ун-та. Т.16, №2, 64-65 (2013).

2. Шинкевич А.И., Зарайченко И.А. Повышение инновационной активности в энерго- и ресурсосбережении на основе концепции «Технологичсеких окон возможности». Вестник Казан. Технол ун-та. Т.13, №9, 897-900 (2010).

3. Гарипов М.Г., Гарипов В.М. Использование низкопотенциального тепла Земли с помощью теплового насоса. Вестник КТУ. 2014. Т.17, №14, с. 197-198.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Химия, Москва, 1975.-754 с.

5. Германович А. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. Наука и техника, Санкт-Петербург, 2011.-320 с.

© М. Г. Гарипов - доцент кафедры ПАХТ КНИТУ, nchti-nio@mail.ru.

© M. G. Garipov - docent department of Processes and devices of chemical technology KNRTU, nchti-nio@mail.ru.