В силу сложившейся энергетической инфраструктуры ответственность за обеспечение теплоснабжения городского хозяйства во многих регионах возложена на градообразующие промышленные предприятия. Помимо физического износа такие системы теплоснабжения часто имеют и другие «наследственные болезни»: энергорасточительные технологии, растущие тарифы для потребителей (как следствие морального и физического износа сетей и оборудования), дефицит тепловой мощности и, как результат, почти всегда абсолютное несоответствие современным представлениям о рациональном отношении к энергоресурсам.
Учитывая, что собственное энергетическое хозяйство промышленные предприятия по нашим наблюдениям активно модернизируют, внедряя современные технологии, можно ожидать, что в поиске дальнейших путей повышения энергоэффективности предприятия неизбежно обратят внимание на сопутствующие системы.
Тем, кто задумался об этом уже сейчас, расскажем о том, как с использованием абсорбционных тепловых насосов сделать теплоснабжение более экологичным и выгодным экономически.
Поскольку технология отопления с помощью тепловых насосов в нашей стране имеет репутацию дорогой и не имеющей шансы на самоокупаемость, сразу оговоримся: абсорбционные тепловые насосы (АБТН) и холодильные машины (АБХМ) обладают несколькими особенностями, привлекательными для проектов централизованного теплоснабжения, а именно:
- В отличие от обычного теплового насоса абсорбционный тепловой насос работает на тепловой энергии, что обеспечивает минимальное потребление электроэнергии и довольно низкие эксплуатационные расходы.
- В тепловой установке необходимый источник тепловой энергии часто находится в «свободном» доступе, а тепло, используемое в абсорбционном тепловом насосе, передаётся в систему централизованного теплоснабжения.
- В качестве хладагента абсорбционный тепловой насос использует воду, что означает практически нулевое воздействие на окружающую среду (потенциал глобального потепления (GWP) близок к нулю).
- Технология является отработанной и проверенной именно для систем централизованного отопления: насчитываются сотни тысяч коммерческих установок по всему миру.
А теперь — давайте разберемся вместе, как с использованием абсорбционного теплового насоса можно превратить теплоснабжение близлежащих населенных пунктов в коммерчески выгодное направление бизнеса?
Как работает абсорбционный тепловой насос?
В целом, абсорбционный тепловой насос — это та же АБХМ. Их конструкции абсолютно идентичны и состоят из четырех отсеков с теплообменными поверхностями, которые вместе действуют либо как холодильная машина, либо как тепловой насос. Режим работы аппарата зависит только от внешней обвязки и параметров сред, подключаемых к его контурам. Сам принцип работы остаётся неизменным.
Абсорбционный тепловой насос заполнен водным раствором бромида лития (LiBr) — смесью воды (хладагент) и бромида лития (абсорбент). Хладагент испаряется в вакууме в объеме АБТН и отводит тепло от низкопотенциального источника энергии, которое циркулирует через контур Испарителя. Нагреваемая среда проходит последовательно в теплообменных трубках через Абсорбер и Конденсатор.
Постоянный процесс выпаривания хладагента из раствора LiBr в Генераторе, последующая конденсация в Конденсаторе, повторное испарение в Испарителе и, наконец, поглощение его абсорбентом в Абсорбере поддерживает необходимое низкое давление внутри теплового насоса.
Упрощенно схема работы абсорбционного теплового насоса представлена на рисунке:
Идеальные источники тепла для абсорбционного теплового насоса — это условно «бесплатные» для предприятия потоки избыточного (сбросного) тепла или отработанные дымовые газы. Даже на тех предприятиях (а их сегодня меньшинство), где такие потоки вовлекают во вторичное использование, внутренняя потребность в их тепле часто значительно меньше, чем его располагаемый объем. Сотни и тысячи мегаватт тепловой энергии ежесуточно теряются только на одних водооборотных системах с применением градирен (не важно мокрых или сухих). Дополнительно тратятся мегаватты электрической энергии для обеспечения работоспособности таких систем.
К примеру, если водооборотный цикл с мокрой вентиляторной градирней рассчитан на рециркуляцию в 1000 м3/ч при перепаде ΔT=10 °C (температурный режим системы 36/26 °C), это означает, что в максимально загруженном режиме работы в окружающую среду выбрасывается порядка 11,5 МВт тепловой энергии каждый час вне зависимости от времени года (около 50 000 Гкал в отопительный сезон). Дополнительно каждый отопительный период на привод вентиляторов градирни затрачивается от 50 (если используется ЧРП) до 300 МВт (для односкоростных электроприводов) электрической энергии.
А ведь это энергия, которую можно экономить (электричество), энергия, которую можно и нужно использовать, а не выбрасывать (тепло). Самый простой и распространённый способ — утилизация для нужд отопления (подогрев обратной линии теплосети).
Эффективность абсорбционного теплового насоса. Не только КПД
Говорить о коэффициенте полезного действия теплового насоса в классическом понимании этого термина не совсем правильно, поскольку стандартная формула вычисления КПД в этом случае будет некорректна из-за неучтенного бесплатного источника энергии – воздуха, воды или грунта. Ведь помимо греющего источника энергии АБТН использует и низкопотенциальное тепло, которое количественно учесть не всегда представляется возможным. Это и есть основная ошибка при расчёте КПД теплового насоса.
Для оценки эффективности работы абсорбционного теплового насоса применяется коэффициент трансформации (COP — coefficient of performance), который вычисляется следующим образом:
COP=Q3/Q1,
где Q1 – тепло, подведенное с греющим источником,
Q3 – полезное тепло на выходе из АБТН.
Количественно, наилучший COP для абсорбционных тепловых насосов составляет 1,7. Для парокомпрессионных тепловых насосов, работающих от электрической энергии, коэффициент трансформации может достигать 5.
Однако, есть как минимум два важных фактора, которые, несмотря на более низкий COP АБТН, делают общую эффективность системы выше.
«Бесплатное» тепло
Во-первых, абсорбционный тепловой насос позволяет отказаться от дополнительного сжигания топлива, используя избытки уже выработанного для других нужд тепла. Рассмотрим самые распространенные источники такого тепла:
Горячая вода
Греющий источник на предприятии часто можно обнаружить в виде горячей воды от существующих котельных установок или иного технологического оборудования. При этом вся тепловая энергия, используемая для процесса абсорбции (и энергия греющего источника, и энергия низкопотенциального контура), полностью возвращается в систему централизованного теплоснабжения.
Пар
Избытки свежего пара или не утилизированный отработанный пар также могут играть роль греющего источника на предприятии. В первую очередь, это пар, получаемый на котлах-утилизаторах в технологических процессах, пар с отборов турбин, от РОУ или турбин с противодавлением.
Дымовые и уходящие газы
Для повышения эффективности котлов центрального отопления традиционным решением является установка экономайзеров для охлаждения дымовых газов и максимальное извлечение энергии.
Однако таким образом происходит только охлаждение дымовых газов до температуры, чуть превышающей температуру в обратном трубопроводе теплосети, а это означает потерю большого количества энергии и ее сброс через дымовую трубу, часто при температуре около 50 °C или выше. При использовании абсорбционного теплового насоса дымовой газ может быть охлажден до температур, как правило, ниже 20 °С, а в лучшем случае и до 10 °С.
Это означает, что имеющаяся тепловая энергия может быть использована в системе центрального теплоснабжения практически полностью.
Оборотная вода
Водооборотные циклы в промышленности применяются повсеместно. Подавляющее большинство предприятий используют открытые циклы оборотного водоснабжения с применением мокрых башенных или вентиляторных градирен. Выше мы рассматривали конкретный пример по использованию низкопотенциального тепла оборотной воды.
Сточные воды
Тепло сточных вод предприятий с температурой менее 40 °С широко используется в мировой практике в качестве дополнительного источника тепла для нагрева сетевой воды. Подобные решения позволяют, помимо прочего, снизить тепловое загрязнение окружающей среды и нагрузку на очистные сооружения, построенные с применением биотехнологий (при повышенных температурах бактерии, отвечающие за очистку сточных вод, погибают).
Работа в круглогодичном режиме
Принимая во внимание отсутствие отопительной нагрузки в летний период, абсорбционные тепловые насосы имеют техническую возможность работать летом в режиме холодильных машин, а поэтому находят свое применение в установках централизованного охлаждения.
В «социальную инфраструктуру» градообразующих предприятий часто входят спортивные объекты, медицинские учреждения, локальные культурные и образовательные центры. Для всех этих объектов вопрос кондиционирования может быть решен с помощью абсорбционных тепловых насосов, работающих в режиме охлаждения, а значит есть возможность организовать холодоснабжение без дополнительных капитальных затрат.
В качестве альтернативного варианта, вырабатываемый холод в летний период может использоваться для нужд самого предприятия в технологических процессах или для охлаждения оборудования.
Таким образом, «социальная» теплофикационная нагрузка на промышленные предприятия из разряда обременения может перейти в разряд преимуществ. В качестве результата собственник производства повышает его энергоэффективность, снижает эксплуатационные затраты на выработку тепла и холода, повышает экологичность производства и усиливает статус социально ответственного предприятия в регионе.
Источник:
«Cool and sustainable with absorption heat pumps» Lars Sønderby Nielsen, Hot Cool Magazine, 2-2019
