Способы утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов с помощью тепловых насосов

В статье представлены некоторые способы утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов с помощью тепловых насосов.

Ключевые слова: промежуточный теплоноситель, низкопотенциальная теплота, сбросной поток, поток воды, компрессор.

Многие производства в сфере энергетики и металлургии относятся к энергоемким, в которых доля энергозатрат в себестоимости продукции составляет более 30 %. Например, для производства 1 тонны чугуна необходимо израсходовать 0,25 ГДж теплоты [1, 2]. Следует иметь в виду, что при относительно высоких температурах сбросных потоков нужно предварительно использовать их теплоты путем передачи в другой процесс с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов. Когда температурный уровень сбросного потока не позволяет использовать его в других процессах, применяются тепловые насосы. Во многих случаях сочетание теплонасосных установок (ТНУ) с теплообменниками может являться наиболее рациональным решением [3].

Схема комплексной утилизации теплоты сбросных потоков приведена на рис. 1. Поток воды 1 с температурой 53℃ насосом Н подается в испаритель И ТНУ, где охлаждается до 35℃, затем поступает в теплообменник Т1, в котором нагревается сбросным потоком 2–2 с температурой 65℃. После подогрева поток 1 направляется в конденсатор К теплового насоса, в котором догревается до 79℃.

Рис. 1. Комплексная утилизация теплоты с низкотемпературными ТНУ

Далее этот поток 1 последовательно нагревается в теплообменниках Т2 и Т3 за счет конденсата 3–3 технологического пара и сбросных паровых потоков 4–4. Нагретый до 105℃ поток воды 1 направляется в технологический процесс (аппараты А5…А1), и цикл замыкается. В данном случае применяется низкотемпературный тепловой насос, так как сбросной поток 1 первоначально понижает свою температуру. Рабочим агентом 5 цикла ТНУ является фреон-12, коэффициент преобразования ТНУ 3,8.

Для утилизации теплоты горячих загрязненных жидкостей могут быть использованы ТНУ с паровым эжектором. Горячая загрязненная жидкость 1 (рис. 2) поступает в аппарат А, в котором с помощью парового эжектора Э поддерживается вакуум. Температура жидкости 1 на (5…10)℃ выше температуры насыщения, соответствующей этому вакууму. Попав в аппарат А, жидкость 1 мгновенно вскипает, ее пары 3 сжимаются эжектором Э, работающем на паре 4 высокого давления. Смесь 5 пара 3 и пара 4 при давлении меньше, чем у пара 4, но больше, чем у пара 3, поступает потребителю ПТ. Концентрированная остывшая жидкость 2 откачивается насосом Н. Процесс кипения и испарения жидкости 1 происходит адиабатно. Так как поступление жидкости 1 неравномерно во времени, аппарат А должен иметь достаточную емкость для нормального функционирования всей системы.

Рис. 2. Утилизация теплоты загрязненной жидкости с помощью пароэжекторного теплового насоса

Рис. 3. Утилизация теплоты низкотемпературного водяного пара с помощью ТНУ с промежуточным теплоносителем

В том случае, когда низкотемпературный водяной пар загрязнен или требуется его дальняя транспортировка, применяются ТНУ с промежуточным теплоносителем (рис. 3). Сбросный пар 1, например, при температуре 70℃, поступает в конденсатор-испаритель К-И, где испаряется промежуточный теплоноситель 2. Пар теплоносителя 2 сжимается компрессором КМ и направляется в испаритель-конденсатор И-К, в котором вырабатывается водяной пар 3 давлением до 0,9 МПа за счет теплоты конденсации промежуточного теплоносителя 2. Конденсат промежуточного теплоносителя охлаждается в подогревателе-холодильнике Г-Х, где нагревается подаваемая вода 4. ДР-дроссель-вентиль. Около 80 % общего количества получаемой энергии составляет теплота сбросного пара 1 и 20 % поступает от привода компрессор КМ.

Проанализировано современное состояние использования ТНУ в различных отраслях энергетики для утилизации низкопотенциальных тепловых отходов. Приведены некоторые способы утилизации низкопотенциальной теплоты с помощью ТНУ. Использование тепловых насосов в процессе утилизации низкопотенциальной теплоты даёт возможность сэкономить традиционные энергоресурсы на 40…50 % и увеличивается коэффициент использования низкопотенциальной теплоты на 1,4…1,6.

Литература:

1. Амерханов P. A. Тепловые насосы. М.: ЭАИ, 2005. — 160 с.
2. Боровков В. М., Аль Алавин A. A. Энергосберегающие теплонасосные системы теплоснабжения // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2007. — N 1–2.- С.42–47.
3. Горшков В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор (Применение тепловых насосов в России) // Справочник пром. оборудования. 2005. -N4(7).-С.148–175.