30.07.2024
Производство тепла в промышленных условиях традиционно связано с потреблением электроэнергии или сжиганием органического топлива. Однако рост цен на энергоносители, политика государства в области энергосбережения и ужесточение ответственности за экологические правонарушения побуждают к поиску альтернатив.
Тепловые насосы в этом плане обладают мощнейшим недоиспользованным потенциалом. Перед ними вырисовываются блестящие перспективы в энергетике будущего, в которой значительная доля будет принадлежать возобновляемым источникам энергии.
Какие функции у теплового насоса
Из физики известно, что тело сохраняет некоторое количество теплоты до абсолютного нуля (−273.15 °C), поэтому окружающая среда – гигантский источник тепла, неисчерпаемый и бесплатный. Проблема в том, что это низкотемпературное тепло, а теплота самопроизвольно переходит только от более нагретого тела к менее нагретому.
Тепловой насос нужен как раз для того, чтобы развернуть процесс в обратном направлении. Классическим образцом подобного оборудования является давно знакомый всем холодильник. В нем тепло откачивается из внутренней камеры и сбрасывается наружу через решетку радиатора на задней стенке.
Перекачиваемая теплота доводится до такой температуры, чтобы ее можно было использовать для производственных нужд, отопления и горячего водоснабжения. Летом возможна работа в режиме реверса для кондиционирования воздуха в помещениях. Установка оборудования целесообразна, если альтернативные варианты менее выгодны, нерентабельны или технически неосуществимы.
В чем преимущества
- Экономичность. 1 кВт электроэнергии на приводе насоса дает в несколько раз больше тепловой энергии на выходе. Потребление энергоресурсов сокращается на 30–70% по сравнению с производством теплоты путем сжигания твердого или жидкого топлива. Отсутствуют затраты на подвод коммуникаций, не нужно получать различные согласования, практически нет эксплуатационных расходов.
- Универсальность. Один и тот же промышленный тепловой насос может быть задействован в технологическом процессе и системах горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в жару.
- Необременительное обслуживание. Оборудование проработает 20–25 лет до капремонта. Текущее обслуживание сводится лишь к периодическим проверкам эксплуатационных параметров да закачке хладагента, если герметичность контура случайно нарушена.
- Безопасность. Процесс теплоснабжения производства пожаро- и взрывобезопасен, чего нельзя сказать о системах, работающих на органическом топливе.
- Экологичность. Отсутствуют выбросы в атмосферу продуктов сжигания топлива, значительно уменьшается углеродный след.
Есть ли недостатки
- Большие первоначальные капиталовложения. Цена теплового насоса вместе с монтажом довольно высока, однако со временем оборудование принесет ощутимую выгоду.
- Проигрыш по экономической эффективности магистральному газу. Подобное положение вызвано сложившимся уровнем цен на энергоносители и тарифной политикой государства, в будущем ситуация определенно будет меняться.
Устройство теплового насоса
Наибольшее распространение получили насосы парокомпрессионного типа. В основе их рабочей схемы лежит замкнутый контур, по которому циркулирует хладагент с очень низкой температурой кипения. Основные узлы контура – испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан.
При подводе теплоты от источника тепла к испарителю хладагент закипает. Пар поступает в компрессор, где сжимается и под действием высокого давления нагревается. Затем в конденсаторе происходит отдача тепла, и охлажденный пар снова переходит в жидкое состояние.
После прохождения расширительного клапана давление понижается. Хладагент расширяется и в результате охлаждается еще сильнее, поступает в испаритель, и цикл повторяется.
Режимы работы
В моновалентном режиме тепловой насос полностью покрывает потребность в тепле. Подобная схема эффективна при стабильной температуре источников теплоты, но требует резерва производительности.
Бивалентный режим предполагает работу с дублирующим генератором теплоты. Дублер подключается параллельно либо берет подачу тепла на себя целиком только на пиках нагрузки. Запас мощности позволяет отказаться от приобретения оборудования с избыточными характеристиками и обеспечивает более рациональную эксплуатацию.
Основные характеристики
Рабочие параметры тепловых насосов в значительной степени зависят от источника теплоты. При подборе оборудования учитывается мощность тепловой энергии на выходе, а также тип нагреваемой среды (вода или воздух).
Важнейшей характеристикой считается коэффициент преобразования теплоты ϕ, по которому судят об энергоэффективности техники. Параметр определяется отношением количества перекачиваемой теплоты к расходу электроэнергии на работу насоса. С увеличением разницы температур у источника тепла и на выходе коэффициент ϕ падает. Значения ϕ лежат в диапазоне 2.5–8.
Источники теплоты
В производственных условиях к источникам тепла предъявляют следующие требования – стабильная и как можно более высокая температура на протяжении всего года, достаточная тепловая мощность, подходящие теплофизические свойства и низкие расходы на включение в технологический цикл.
Пальма первенства здесь принадлежит вторичным энергетическим ресурсам (ВЭР). В эту категорию входит тепло сточных вод, оборотных систем и работающего оборудования предприятия, вентиляционных и производственных выбросов в атмосферу. Из природных ресурсов наибольший потенциал у теплоты подземных грунтовых вод, горячих источников и грунта.
Сфера применения
- АЭС и ТЭС – теплом конденсатора турбины подогревается вода в контуре электростанции и системе теплоснабжения
- Продовольственные магазины, мясокомбинаты и молокоперерабатывающие предприятия, цеха по производству замороженных продуктов питания, склады с холодильным оборудованием – тепловой насос в холодильниках уже есть, остается установить теплообменник и использовать утилизируемое тепло на отопление или снабжение горячей водой
- Предприятия нефтехимии, металлургии и горнорудной промышленности, фармацевтики, пищевой и целлюлозно-бумажной отрасли – отработанное тепло подается на повторное потребление в технологическом процессе
- Животноводческие фермы и птицефабрики – тепло навозных стоков идет на отопление помещений и горячее водоснабжение, одновременно за счет снижения температуры стоков уменьшаются выбросы аммиака, метана и закиси азота
Практика эксплуатации в отдельных примерах
В 2001 году на шахте «Осинниковская» в Кемеровской области запущено оборудование, использующее тепло шахтных вод. Установка служит для подачи горячей воды в административные здания, коэффициент преобразования теплоты ϕ равен 4. Стоимость выработки тепла в 3 раза ниже по сравнению с шахтной котельной, которая на лето полностью отключается.
В том же году медико-инструментальный завод «МИЗ-Ворсма» в Нижегородской области ввел в строй теплонасосную станцию на очистных сооружениях. Оборудование подогревает воду в системах отопления и горячего водоснабжения, для подстраховки последовательно подключен электрический котел.
В 2004 году в Зеленограде запустили тепловой насос для утилизации тепла канализационных стоков, которое идет на подогрев водопроводной воды. На канализационной насосной станции в Набережных Челнах установленное оборудование помогло сократить расход электроэнергии в 4 раза. Работники канализации Вологды после технического перевооружения перестали мерзнуть зимой и наконец получили доступ к горячей воде.
На ж/д станции Волгограда переход от дизельной котельной к тепловым насосам обеспечил круглогодичный доступ к горячей воде и полноценное отопление зимой, а летом – эффективное кондиционирование помещений. Мощности практически всегда хватает без подключения резервных электрических котлов. Расходы на потребление электроэнергии получились ниже, чем фонд оплаты труда сокращенных работников котельной.
Промышленные тепловые насосы марки Mammoth
Техника выпускается производителем из США на производственной площадке в округе Анжи (КНР). Заказчики позитивно оценивают продукцию компании с многолетней историей, которая ведет свой отсчет с 1935 года. Первоклассное качество сочетается с отличным сервисом и адекватными качеству ценами.
Промышленный тепловой насос Mammoth представляет собой моноблок в конфигурации «вода-вода» с мощностью на нагрев до 2.632 МВт. Марка характеризуется высокой производительностью, энергоэффективностью и надежностью.
