Характеристика тепловых насосов парокомпрессионного типа

В настоящее время с помощью тепловых насосов парокомпрессионного типа (ПКТН) возможно утилизировать практически все виды техногенных тепловых отходов (промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды, дымовые газы, системы оборотного охлаждения технологического оборудования и др.). Технология получила в мире широкое развитие: тепловая мощность действующего парка ПКТН оценивается в 250 тыс. МВтс годовой выработкой теплоты 1,0 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. т у.т./год. В эксплуатации находится около 40 млн. ПКТН, тепловая мощность самой крупной ТНУ, работающей в Швеции на тепле воды Балтийского моря, составляет 320 МВт. В России общая установленная мощность ПКТН российского производства единичной мощностью 603000 кВт составляет около 65 МВт. Ресурсная база в России (см. табл. 1) для ПКТН не ограничена.

Таблица 1. Ресурсный потенциал замещения органического топлива [1].

Принципиальная схема (см. рис.1) теплонасосной установки (ТНУ) дает представление о преобразовании потоков энергии в этой технологии при реализации обратного термодинамического цикла 1-2-3-4-6-7-1 с помощью низкокипящих рабочих тел (фреоны и др.). В процессе работы ТНУ за счет охлаждения теплоносителя сбросного тепла с исходной температуры до  обеспечивается нагрев теплоносителя системы теплоснабжения с до . За счет потребления некоторого количества приводной электрической или механической энергии  для работы ПКТН, а также и  для прокачки теплоносителей в ТНУ осуществляется эффективное преобразование низкопотенциальной теплоты (40°C) в полезное тепло более высокого температурного потенциала (40°C). Дополнительным полезным продуктом является поток создаваемого холода , который необходим для работы оборотных систем охлаждения в промышленности. При утилизации тепла соблюдается баланс:

                                                                                                                              (1)

Энергетическая эффективность характеризуется величиной коэффициента преобразования:

 ,                                                                                   (2)

где для большинства практически важных случаев утилизации тепла .

Рис.1. Принципиальная схема ТНУ и термодинамический цикл в координатах «ТемператураТ–энтропия S»: И – испаритель; КМ – компрессор; ПР- электрический или механический привод; КД – конденсатор; ОК – охладитель конденсата; РТ – регенеративный теплообменник; ДР – дроссельное устройство; Н1и Н2 – насосы (вентиляторы) для прокачки жидких (газообразных) теплоносителей; пунктирной линией обозначены  границы ПКТН.

Для технико-экономических расчетов может быть использована экспериментальная зависимость эффективности, представленная на рис.2.

Рис.2. Зависимость коэффициента преобразования от  исходных   условий применения теплонасосной технологии утилизации тепла.

Удельные затраты условного топлива (см. рис. 3) для различных технологий производства тепла позволяют оценить относительную экономию топлива при использовании ТНУ для реализуемых на практике диапазонов значений , коэффициентов полезного действия топливных (уголь, газ, мазут и др.) котельных и  электрокотлов с учетом затрат топлива на выработку для ТНУ и электрокотельных  электроэнергии на ТЭС с коэффициентом полезного действия  и её 10%  потерями в линиях электропередачи (:

кг у.т./ Гкал                 (3)

 кг у.т./Гкал    (4)

Рис.3. Удельные затраты условного топлива на выработку тепловой энергии:

1 – электрокотлы; 2 – топливные котельные (уголь, мазут, природный газ, дрова и т.п.); 

3 – ТНУ на основе ПКТН с электроприводом.

            В отличие от топливных котельных работа ТНУ на базе ПКТН с электроприводом в зоне их действия не сопровождается прямым загрязнением окружающей природной среды. В качестве побочных могут рассматриваться только выбросы от централизованных и децентрализованных источников электроснабжения для работы ТНУ (ТЭС и др.), как правило, располагающихся вне зоны размещения ТНУ. Данные, характеризующие сравнительный уровень локального, в зоне действия теплоисточника [2], и общего, с учетом выработки электроэнергии на ТЭС [3] загрязнения окружающей среды представлены в таблице 2.

Таблица 2 . Атмосферные выбросы от теплоисточников за отопительный сезон 5500 часов, т/год.