Засоби реалізації потенціалу енергозбереження

1. Засоби реалізації потенціалу енергозбереження

Існує багато шляхів реалізації ПЕ. Нижче перерахуємо найбільш вживані і відомі [1,2]:

- впровадження нових, досконаліших, способів виробництва, наприклад, сухий спосіб виробництва цементу, неперервний розлив сталі, двостадійна технологія виготовлення синтетичного каучуку, випарювання залізобетонних виробів котельними газами і т.д.;

- укрупнення виробництва і зменшення у такий спосіб питомих енергозатрат; його районування відповідно до сировини та кліматичних умов;

- оптимальна (енерготехнологічна) організація виробництва - відходи (в т.ч. енергетичні) попередньої стадії - сировина для наступної, наприклад, ГТУ - над котлами, технології інтенсивного вирощування риби у ставках - охолоджувачах ТЕС, цементні заводи (на золі) - кінцеві виробництва ТЕС, що працюють на бідному вугіллі і т.д.;

- комбінація різнотипних генераторів енергії, що працюють на різній сировині, зокрема на біологічній, а також широке застосування систем когенерації та акумуляції енергії.

Крім згаданих вище глобальних заходів, для реалізації ПЕ на конкретних об'єктах експертами ЄС, зважаючи на українські умови, було запропоновано такі першочергові проекти [2]:

1. Модернізація і удосконалення (заміна) автоматики котлоагрегатів та теплофікаційних котлів.

2. Широке впровадження малих та середніх водогрійних котлів.

3. Заміна горілок у котлах на більш ефективні (рекуперативні, регенеративні, для кількох видів палива).

4. Впровадження малих ТЕС та міні - ТЕС, вітроелектростанцій та геліосистем для приватних господарств і будинків.

5. Удосконалення систем стисненого повітря (пастки для вологи, індикатори нещільностей, автоматика керування роботою систем компресорів).

6. Технології реконструкції та реставрації електродвигунів.

7. Прилади контролю та управління процесами горіння, опаленням житла та систем централізованого теплопостачання і т.д.

8. Системи промислового опалення: нагрівачі-радіатори, повітронагрівники, інфрачервоні випромінювачі.

9. Новітні теплоізоляційні матеріали і технології теплоізоляції трубопроводів та огороджувальних конструкцій будівель.

10. Віконні пакети з тепловідбиваючим покриттям або з покращеною термоізоляцією.

11. Освітлювальні прилади, системи автоматики до них, фотосенсори, регулювальна апаратура.

12. Лічильники витрати води, газу, повітря, тепла, електроенергії, скидів.

13. Пускорегулювальне обладнання для води, пари, газу (вентилі, клапани, регулятори тиску, уловлювачі вологи тощо).

14. Електроприводи з регульованою частотою обертання.

15. Котли-утилізатори відходів с/г виробництва та деревообробної промисловості.

Розглянемо більш детально деякі зі згаданих вище технологій чи обладнання. Якщо ви захочете глибше вивчити техніку і технології, що перспективні з т.з. енергозбереження, то зверніться до спеціальної літератури [1 - 3].

1.1 Котли

В цьому параграфі коротко розглянемо основні типи котлів, баланс енергії котла та методи рекуперації тепла.

1.1.1 Типи котлів

Котли (котлоагрегати) класифікуються за: конструкцією, типом теплоносія та видом палива [3]. Основні типи котлів представлені у табл.1.

Таблиця 1 - Типи котлів

№ п/п	Тип конструкції	Тип теплоносія	Вид палива
1.	Жаротрубні	Водогрійний	Тверде паливо
2.	Водотрубні	Паровий	рідке (мазут та ін.)
3.	Секційні чавунні	Повітропідігрівачі	газ
4.	Конденсаційні	Інші теплоносії	електрика

1.1.2 Особливості конструкції

На рис. 1 показана схема триходового жаротрубного котла. Його особливість у тому, що топка знаходяться у широкій жаровій трубі, а продукти спалювання поширюються у вужчих жарових трубах, що оточені водою. Використовуються дво- та триходові котли мокрооборотні і чотириходові сухооборотні. У мокрооборотних поворотна камера для газів оточена водою. Характерною особливістю цих котлів є доволі значна інертність через великий об'єм води, що знаходиться у котлі.

Будова водотрубного котла показана на рис. 2. Вода подається у барабан і опускними трубами стікає в колектор, де підігрівається до температури кипіння і паро - водяна суміш піднімається в барабан, де пара відділяється від води. Після барабана пара подається у пароперегрівач. Опускні і підйомні труби розміщені біля стінок топки, захищаючи їх від перегріву. Порівняно з жаротрубним котлом - водотрубний швидко запускається та виходить на режим оскільки об'єм води в ньому менший. По цій же причині він також безпечніший у експлуатації

Крім перших двох типів котлів, останнім часом поширені конденсаційні котли. Особливістю конденсаційного котла, див. рис. 3, є використання вищої теплотворної здатності палива (включно з теплотою конденсації пари топкових газів), що дозволяє отримувати ККД котла близький до 95%. Через те, що температура води, яка поступає на конденсаційний теплообмінник, повинна бути нижчою від точки роси топкових газів, його матеріал має бути корозійностійким. Конденсаційний котел оснащується конденсатозбірником, розрахованим на паливо з малим вмістом сірки. Топкова камера може бути чавунна або жаротрубна. Використовують конденсаційні котли для опалення приміщень, діапазон їх потужностей знаходиться в межах 20 - 1500 кВт.

1.1.3 Баланс енергії котла та аналіз втрат

Котел є теплообмінником, у якому теплова енергія продуктів спалювання палива передається теплоносію. При цьому зростає ентальпія теплоносія, що є корисним ефектом. Схема теплових потоків котла показана на рис. 4. Баланс енергії котла дається рівнянням:

(1)

- масові витрати палива, повітря, води та топкових газів (кг/с); - ентальпії, відповідно, палива, повітря, живильної води, пари, продувки та топкових газів; - масова частина пари, що втрачається при продувці; - радіаційні та конвекційні втрати з поверхні котла; - нижня (без теплоти конденсації водяної пари) теплотворна здатність палива.

ККД будь - якого котла визначається за формулою

(2)



При визначенні ККД слід вказувати, яка теплотворна здатність палива використовується для його визначення. Часто ККД визначають за спрощеною формулою

(3)

- втрати тепла з топковими газами; - втрати з продувкою; - втрати через неповне спалювання; - втрати з поверхні котла.

Отже, ефективність котла визначається мінімізацією його втрат. Усереднені втрати для жаротрубних та водотрубних котлів знаходяться в межах: , залежно від навантаження котла; ; - визначають за спеціальними таблицями, але його середнє значення, ; - може досягти . Максимальні втрати енергії на котлі можуть бути біля .

Рисунок 4 - Енергія котла

Зменшення втрат енергії котла забезпечується шляхом використання високоефективної теплоізоляції; раціонального регулювання процесу горіння палива; використанням пристроїв для рекуперації тепла топкових газів та ефективною водопідготовкою, яка дозволяє мінімізувати продувки і усунути утворення накипу на трубах котла.

Слід пам'ятати, що найефективнішим засобом зменшення втрат у котлах є їх використання в режимі максимальних або близьких до них навантажень. Зниження навантаження до 50% від номінального збільшує втрати у два-три рази. Тому раціональний вибір потужності котла є умовою його ефективного використання і економії палива.

1.1.4 Алгоритм ефективного використання котла

З попереднього випливає, що аналіз завдання вибору необхідної потужності котла слід починати саме зі споживача пари чи тепла, а також з системи розподілу тепла, оскільки саме ці елементи визначають потребу у теплі, а значить, і навантаження котла.

Якщо котел вибраний і змонтований, то наступає етап налагодження його ефективної роботи. На ефективність роботи котла впливають:

- режим роботи пальника котла (надлишкове повітря, якість і спосіб змішування палива і повітря, температура палива і повітря і т.д.);

- температура топкових газів;

- температура і якість живильної води;

- швидкість спалювання і нерівномірність навантаження;

- режими продувки.

Орієнтовний алгоритм регулювання оптимального режиму роботи котла показано на рис. 5.

1.1.5 Рекуперація тепла

Основні втрати тепла палива у котлі зв'язані з топковими газами. Рекуперація тепла топкових газів може суттєво підвищити ефективність роботи котла. Основні пристрої для рекуперації тепла такі:

Економайзери - це теплообмінники поверхневого типу для підігріву живильної води топковими газами. Вони встановлюються після живильного насоса безпосередньо перед вводом води у котел. Це дає, крім економії палива, такі переваги:

* вода попадає в економайзер під тиском котла, що усуває її закипання;

* вода попадає у котел підігрітою, що запобігає охолодженню топкових газів нижче температури роси, що важливо при спалюванні сірчистих палив.

Пароперегрівники - в них пара додатково нагрівається, що збільшує ККД циклу Ренкіна при генерації електроенергії і підвищує сухість пари.



Рекуперативні повітропідігрівачі - теплообмінники для підігріву повітря для опалення чи інших технологічних потреб. При їх використанні необхідні тягові вентилятори.

Системи рекуперації тепла води продувки - переважно реалізуються способом подачі продувної води у резервуар з низьким тиском, де вода закипає, а конденсат пари подається у систему живлення котла. Тепло залишкової води продувки утилізується для технологічних чи побутових потреб.

1.2 Енергозберігаючі матеріали

Матеріали, що забезпечують енергозбереження умовно можна поділити на два класи:

конструктивні матеріали, що використовуються при створенні енергозберігаючих технологій та техніки;

матеріали і конструкції, що призначені для теплоізоляції житлових та промислових будинків чи технологічних систем.

Вимоги до матеріалів першої групи визначаються сферою їх застосування. Наприклад, якщо це матеріали для теплоенергетики, то залежно від функціонального призначення елементів конструкцій від матеріалів можуть вимагати:

- міцності на розтяг чи стиск, пружності, пластичності, жаро- та корозійної стійкості, високої чи, навпаки, низької теплопровідності, малої чи великої густини і т.п.

Якщо матеріали використовують як теплоносії, то важливими є:

- їх теплоємність, теплота і температура фазового переходу; для елементів фотоелектричних батарей важливий їх високий коефіцієнт трансформації світлової енергії в електричну.

Практично неможливо перерахувати та передбачити всі суттєві властивості конструкційних матеріалів. В цьому вам повинні допомогти розуміння технологічного процесу чи принципів роботи пристроїв і відповідні довідники фізико-хімічних властивостей матеріалів. Інколи слід залучати для прискорення роботи спеціалістів (експертів) у галузі матеріалознавства.

Щодо застосування матеріалів як теплоізоляторів, то тут виникають такі завдання:

вибрати, відповідно до ситуації, найбільш економічно і технічно доцільний варіант теплоізоляції (матеріал, спосіб кріплення, товщину шару);

забезпечити санітарно-гігієнічні вимоги до нього та умов його експлуатації;

забезпечити толерантність до навколишнього середовища (екологічну безпечність).

Найкращий теплоізоляційний матеріал - це вакуум або повітря, які захоплені шарами, комірками чи волокнами матеріалу каркасу теплоізолятора, тобто теплоізолятор - це пориста матриця з якогось матеріалу, бажано з малою теплопровідністю, пори якої заповнені повітрям або знаходяться під вакуумом. Часом теплоізоляторами використовують дрібнопористі (губчасті) метали. Теплоізоляційні матеріали характеризують тепловим опором. Поняття теплового опору випливає із закону.

(4)

dq - кількість тепла, що переноситься через площадку ds вздовж осі ОХ за одиницю часу; - градієнт температури вздовж ОХ; л - коефіцієнт теплопровідності.

Він залежить від виду матеріалу та температури, але для реальних температурних проміжків (?Т ? 100 - 400 К) його можна замінити середнім значенням для проміжку. Інтегруючи (4), отримуємо (ds = 1м²)

 (5)

Вираз (5) можна записати і так

(5а)

R - тепловий опір проміжку L.

Якщо маємо шарувату систему, то загальний опір такої системи

(6)

L_i, л_i - товщина і коефіцієнт теплопровідності k-го шару. Розмірності л і R в СІ такі: [л]_CI = Вт/К·м; [R]_СІ = К/Вт.

Опір шаруватої циліндричної структури висотою 1м дається виразом

(7)

У випадку конвективної теплопередачі тепловий потік

, [б]_СІ = Вт/м²К (8)

б - середній коефіцієнт конвективної теплопередачі; t_m - температури середовища з конвекцією, t_s - нерухомої поверхні.

Для теплообміну випромінюванням

 (9)

q - тепловий потік (Вт/м²), д - стала Стефана - Больцмана, д = 5,67 · 10^-8 Вт/м²К⁴; е - коефіцієнт сірості поверхні; Т_s - температура випромінюючої поверхні у Кельвінах; Т₀ - середня температура оточення.

Якість теплоізоляційних матеріалів визначається їх коефіцієнтом теплопровідності та фізико-механічними властивостями, див. табл. 2. Звичайно, їх коефіцієнт теплопровідності повинен бути якомога нижчим і не змінюватися суттєво у широкому діапазоні температур. Проте існує і ряд інших вимог:

Стійкість до тривалих впливів. Це означає, що матеріал повинен зберігати свої фізико-механічні властивості сталими протягом тривалого часу в умовах екстремальних температур, впливу вологи, сонячного випромінювання, хімічної дії та інших умов.

Фізична міцність. Теплоізоляційні матеріали повинні виносити значні механічні навантаження, в т.ч. тривале зберігання, вантажні операції, бути міцними на стиск.

Механічна стійкість щодо циклів стиску-розширення та вібрації.

Бути пожежо- та вибухобезпечними.

Повинні бути стійкими до дії вологи (гідрофобними).

Володіти корозійною стійкістю та хімічною інертністю до водних розчинів солей.

Бажано, щоб густина теплоізоляційних матеріалів була малою, щоб обходитися без додаткових опор чи кріплень.

Матеріали повинні бути екологічно безпечними і не шкодити здоров'ю людей (відповідати санітарно-гігієнічним вимогам).

Теплоізоляцію слід передбачати на етапі проектування споруд. Переважно, у теплотехнічних пристроях, необхідно ізолювати всі поверхні, що мають температуру вищу ніж 50?С. Також необхідно теплоізолювати трубопроводи подачі холодної води з метою запобігання конденсації на них пари та притоку до них тепла.

При використанні теплоізоляції слід забезпечити такі умови:

зовнішній захист теплоізоляції від механічної дії, вологи та хімічних реагентів;

не залишати технологічних ділянок без ізоляції; якщо такі ділянки необхідні, то вони повинні бути закриті спеціальними теплоізолюючими кожухами;

слід подбати про ізоляцію підримуючих пристроїв (усунути теплопровідні містки);

постійно забезпечувати контроль цілості ізоляції, часто через дію вологи чи високої температури вона втрачає свої властивості.

Вибір оптимального типу теплоізоляції передбачає знання як властивостей самих ізоляційних матеріалів, так і розуміння структури і роботи системи, яку ви збираєтесь ізолювати. Кожен раз ви повинні знаходити компроміс між бажанням зменшити втрати тепла та вартістю ізоляції, включно з затратами на її монтаж і обслуговування. Властивості ізоляційних матеріалів представлені у табл. 2, див. нижче.

Таблиця 2 - Властивості теплоізоляційних матеріалів

Ізоляція	Межі температури (?С)	Коефіцієнт теплопрвідн.	Межі товщини (мм)
	Мінім.	Максим.	(Вт/м.К)*	Мінім.	Макс.
Силікат кальцію	-20	800	0.0006	25	100
Піноскло	-260	430	0.0050	40	130
Пориста гума	-40	116	0.0036	6	100
Пористий полістирол	-100	80	0.0033	12	32
Пористий пінополістирол	-180	75	0.0027
Гнучкі пінополіуретани	20	105	0.0048	19	100
Мінеральна вата	-160	230	0.0040	19	100
Магнезія	-20	315	0.0060	25	88
Піномеламін	20	220	0.0040	6	250
Мікропориста ізоляція на основі діоксиду кремнію	-20	1050	0.0025	3	75
Пінофенопласт	-185	120	0.0020	15	-
Пінополіуретан	-20	100	0.0037	9	38
PIR	-185	140	0.0023	15	-
PUR	-185	110	0.0023	15	-
Мінеральна вата	-160	850	0.0040	19	100

Приклад оптимізаційного техніко - економічного розрахунку товщини теплової ізоляції циліндричного трубопроводу подано у Додатку 1. Підхід, використаний там, може бути корисним і у інших близьких за змістом задачах.

1.3 Накопичувачі енергії

Основне завдання, яке вирішується застосуванням накопичувачів енергії - підвищувати коефіцієнт використання палива на ТЕС і АЕС шляхом вирівнювання графіка їх навантажень, а для малої енергетики, навпаки, створити умови для рівномірного забезпечення енергією споживачів при її нерівномірній генерації. Часто накопичувачі енергії стають трансформаторами, перетворюючи низькопотенціальну енергію у більш якісну або перетворюючи її з однієї форми в іншу [2,4].

1.3.1 Класифікація та основні характеристики накопичувачів енергії

Суть роботи накопичувача - створення запасу енергії для його пізнішого використання.

Наприклад, схема гідростатичного накопичувача (гідроакумулюючої електростанції (ГАЕС)), показана на рис.6. Працює ГАЕС так : вода у верхньому б'єфі - 1 має потенціальну енергію сgh₁ і, обертаючи вал турбіни - 3, перетворює механічну енергію в електричну, яка приводить у рух гідропомпу - 4, подаючи воду у гідроакумулятор - 6 по трубі - 5. З гідроакумулятора - 6 вода трубою - 7 при необхідності знову подається на турбіну, яка з'єднана з генератором - 3.

Електроенергія подається споживачам в години пік для компенсації нестачі потужності. Переважно вода у гідроакумулятор напомповується вночі, а використовується вдень. Така ГАЕС працює на Київській ГЕС, будується Придністровська. Ланцюг перетворення енергії в ГАЕС такий

(10)

якщо з₁ = 0.90, то отримуємо, що загальний ККД ГАЕС

Коефіцієнт акумуляції ГАЕС 0.68, що цілком прийнятне за техніко-економічними умовами.

Накопичувачі енергії розрізняють за декількома ознаками:

призначенням: автономні та стаціонарні;

формою енергії, що накопичується: механічні, теплові, електричні;

принципами роботи: електрохімічні, хімічні, фізичні, біологічні, природні, теплові.

Характеристики матеріалів, що можуть бути робочими тілами накопичувачів енергії, представлені у табл. 3 [5].

Таблиця 3 - Теплотехнічні характеристики матеріалів

Теплоакумулюю-чий матеріал	Густина с, кг/м3	Питома тепло-ємність ср,кДж/ (кг ? °С)	Теплопро-відність л, Вт/(м ? °С)	Об'ємна теплоакумулю-юча здатність при Дt = 20°С Qv, МДж/м3)	Маса, необхідна для акумуляції 1 ГДж теплоти при Дt = 20°С, V1ГДж, кг	Об'єм, необхідний для акумуляції ГДж теплоти при Дt = 20°С, V1ГДж, м3	Відносний об'єм ТАМ Vвідн, м3/м3
Вода	1000	4.19	0.6	83.80	11930	11.93	1.0
Камінь природний	3100	0.83	3…5	51.46	60240	19.43	1.63
Бетон (з легкими заповнювачами)	1000	1.04	0.35	20.80	48080	48.08	4.03
Залізобетон	2200	1.08	1.56	47.52	46300	21.04	1.76
Цегла	1700	0.83	0.75	28.22	60240	35.44	2.97
Деревина	800	1.55	0.21	24.80	32260	40.32	3.38
Сталь	7800	0.47	58	73.32	106380	13.64	1.14
Пісок сухий	1500	0.83	0.58	24.90	60240	40.16	3.37
Земля суха	1000..2000	0.83	0.17…0.58	16.6…33.2	60240	60.24…30.12	5.05…2.52
Галька	2640	0.86	1.7…4.0	45.41	58140	22.02	1.85
Рідкий натрій	960	1.26	67.5	24.19	38690	41.34	3.46
Евтектична суміш (46% NaNO3 + 54% KNO3)	1733	1.55	0.57	53.72	32260	18.62	1.56

Основні характеристики накопичувачів:

питома потужність (на одиницю об'єму);

питома енергія;

питома вартість накопичувача (на одиницю енергії, кВт-год);

час циклу "заряд-розряд";

термін придатності;

ККД перетворення енергії;

характерний час саморозряду (час втрати 50 % енергії);

безпека експлуатації;

форма споживаної енергії;

простота обслуговування.

На сьогодні найпоширенішими є системи акумуляції електричної енергії на базі електрохімічних акумуляторів типу кислотних свинцевих та лужних кадмієвих, а також електролізних (електрохімічні) генераторів водню. Поширеними також є теплові акумулятори, зокрема, зручні для збереження сонячного тепла.

Відомі також механічні акумулятори (кінетична енергія маховиків, потенціальна енергія стисненого газу, до них належать також гідростатичні акумулятори).

Промислові акумулятори на стисненому повітрі будуються на базі соляних копалень, порожнин, що залишилися на використаних нафтогазових родовищах та після забору води. Наприклад, біля м. Піттсфельда (США) створено повітряно-акумуляторну ГТУ. Ємність системи 2,8 • 10⁶ м³ повітря, тиск - 2,1 МПа.

Такого ж типу накопичувачі працюють в Італії та у ФРН. Водяні акумулятори теплової енергії можна створити і для присадибного та домашнього господарства. Для цього достатньо мати стальну ємність на 2 - 5 м³ для акумуляції нічної електроенергії за дешевим тарифом [6], або сонячної, див. рис. 8.



Використовуються також електрохімічні генератори водню та кисню. Проте на сьогодні водневі акумулятори мають загальний ККД, рівний 60 - 63%, що нижче від 64 - 70% для ГАЕС.

Перспективними вважаються надпровідникові індуктивні накопичувачі (НПІН). Основні їх переваги:

щільність енергії 10⁸ Дж/м³;

ККД = 8%;

висока швидкодія, широкий діапазон циклу "заряд - розряд", необмежена ємність.

В Японії розроблено НПІН з параметрами:

?Е = 5 ГВт-год; L = 71,8 Гн; P = 1ГВт, ККД = 95%.

1.3.2 Акумулятори теплоти

Основні елементи акумулятора теплоти такі, див. рис. 8:

резервуар з тепловим сорбентом;

теплообмінники для вводу-виводу тепла;

теплоізоляційна оболонка.

За принципом дії акумулятори тепла поділяються на:

* ємнісного типу, запас тепла накопичується у матеріалі, збільшуючи його ентальпію, а пізніше віддає при необхідності теплоносію, при цьому теплосорбент не зазнає фазового чи агрегатного переходу; теплосорбентом можуть бути вода, водні розчини солей, галька, природний камінь і тощо;

* акумулятори з фазовим переходом; в цих теплоакумуляторах тепло зберігається у вигляді теплоти фазового переходу. Переважно робочим тілом таких акумуляторів є органічні та неорганічні (евтетичні) сполуки, що мають низьку температуру фазового переходу. Параметри твердих і рідких теплосорбентів подані у табл.3.

Найчастіше теплові акумулятори використовуються для збереження сонячного тепла у системах сонячного опалення будинків, наприклад, сонячні ставки та сонячні стіни.

Ми не повинні забувати про природний процес акумуляції сонячної енергії шляхом фотосинтезу. Хоча ККД цього процесу дуже низький, всього 1-2%, він дає біомасу, що є важливою енергетичною сировиною.

Є ще один тип акумуляторів енергії - ядерні реактори - розмножувачі (брідери) на швидких нейтронах. У них енергія первинної ядерної реакції поділу важких ядер ⁹²U₂₃₅ накопичується у вигляді радіоактивних осколків - дочірніх ядер, які служать паливом для вторинного ядерного циклу.

1.4 Теплові помпи

З курсу фізики і технічної термодинаміки відомо, що теплова машина, яка працює за зворотним циклом, може забирати тепло ?Q₂ від термостата з температурою Т₂ і завдяки виконанню роботи ?А передавати це тепло термостату з вищою температурою Т₁, див. рис.9. Таку теплову машину залежно від того, чи Т₁<Т_С, чи, навпаки, Т₁>Т_С, Т_С - температура середовища, у якому знаходиться машина, називають холодильником або тепловою помпою (ТП). Отже, принципово ТП і холодильник - це та ж теплова машина, що працює за зворотним циклом. Добираючи відповідне робоче тіло, можна одну і ту ж машину використовувати як холодильник-кондиціонер (влітку) і як ТП - нагрівник ( взимку).

1.4.1 Термодинамічні характеристики ТП

Ефективність ТП характеризують коефіцієнтом перетворення тепла (КПТ), який рівний відношенню теплоти, що отримується на виході з ТП ?Q₁, до затраченої роботи ?А

(11)

бачимо з (5.11), що КПТ завжди більший від одиниці. Якщо скористатися еквівалентним циклом Карно [7,8], то вираз (5.11) можна представити через середні температури процесів отримання і передачі теплоти, Т_2,с та Т_1,с.

(12)

з_t - ККД машини Карно, що працює між температурами Т_2,с і Т_1,с.

Теплові помпи є трансформаторами теплоти, які перетворюють низькопотенціальне тепло зовнішнього середовища у тепло вищого потенціалу, що придатне для нагрівання приміщення.

З виразу (5.12) бачимо, що ефективність ТП тим більша, чим менша різниця температур ?Т = Т_1,с- Т_2,с. Якщо ?Т>>Т_2,с, то з (5.12) можемо отримати

(13)

тобто кількість тепла, що передає ТП у приміщення, практично рівна роботі зовнішніх сил ?А, див. (5.11). Якщо ж робота виконується електроенергією, то при великій різниці температур ДТ ефективності ТП і прямого перетворення електроенергії у тепло майже однакові.

Таким чином, КПТ показує, у скільки раз використання електричної енергії для генерації тепла за допомогою ТП ефективніше від використання цієї ж енергії для прямого нагрівання теплом Лєнца-Джоуля.

Порівняємо ефективність ТП і традиційних нагрівачів, наприклад, з теплової централі. Для цього використаємо таке поняття, як коефіцієнт використання палива (КВП). Ця величина (КВП) рівна відношенню кількості тепла на виході з установки ДQ_кор. до кількості тепла, що знаходиться у паливі ДQ_пал., що потрапляє на вхід теплогенеруючої установки.

(14)

Для теплоцентралі КВП рівне ККД теплоцентралі і ця величина не більша ніж 0,65 (див. тему 4). КВП для теплової помпи оцінимо у такий спосіб

(15)

з_ел.- ККД системи трансформації енергії палива в електричну енергію, включно з передачею її до місця споживання. Прийнявши

з_ел. = 0,30· 0,9 = 0,27,

знаходимо, що

(16)

Відповідно, відношення КВП для ТП та теплової централі таке

(17)

Отже, з (5.17) бачимо, що вже при КПТ₀ ? 2,4 вигідніше використовувати для підігріву приміщення ТП, ніж теплоцентраль з ККД = 0,65. Величина КПТ = 2,4 відповідає усередненій температурі зовнішнього середовища Т_2,с = 122 К за умови, що температура у приміщенні Т_1,с = 293 К. Але слід мати на увазі, що реальні температури відбору і передачі тепла повинні бути на 25 - 35 К вищі від середніх, тобто термодинамічно ефективним є використання ТП при зовнішній температурі

.

При цьому необхідно пам'ятати, що термодинамічна ефективність не достатня для прийняття рішення про використання ТП у конкретному випадку. Його приймають на підставі техніко-економічного аналізу ситуації(див. тему 4).

1.4.2 Типи теплових помп

Використовуються три основні типи теплових помп:

парокомпресійні ТП;

абсорбційні ТП;

компресійно - резорбційні ТП.

Розглянемо будову і принципи роботи кожного типу ТП.

1.4.2.1 Парокомпресійні ТП

Схематично основні елементи компресійної ТП показано на рис. 10. ТП складається з робочого тіла (холодоагент з низькою температурою кипіння), компресора, конденсатора, дросельного вентиля та випаровувача. Працює ТП так. Робоче тіло (рідина) при низькому тиску Р₂ випаровується у випаровувачі, забираючи одночасно від оточення тепло ?Q₂. Компресором пара робочого тіла стискається до тиску Р₁>>Р₂. При цьому пара нагрівається і конденсується у конденсаторі, віддаючи тепло конденсації та тепло стиснення ДQ₁ = ДA + ДQ₂. Охолоджена рідина дроселюється ( знижуючи тиск до Р₂) і знову подається у випаровувач, деталі див. [9,10 ]. Ефективність парокомпресійної ТП характеризується КПТ, див. (5.11), та КВП, див. (5.14).

1.4.2.2 Абсорбційні ТП

Основна відмінність абсорбційної ТП від компресорної полягає у тому, що тут відсутній компресор - споживач високоякісної енергії. Замість нього використовується термокомпресор, який складається з рідинної помпи, дроселя і двох тепломасообмінних апаратів - абсорбера і генератора, див. рис. 11. В абсорбційній ТП використовується двокомпонентне робоче тіло: "холодоагент + абсорбент". Абсорбентом може бути будь - яка рідина, що ефективно поглинає холодоагент, наприклад, для аміаку (NH₃) вода.

Працює абсорбційна ТП так:В абсорбері поглинається аміак - холодоагент, при цьому виділяється тепло Q_абс. і утворюється насичений розчин, який запомповується у генератор. Тиск у генераторі Р_г > Р_абс.. В генераторі коштом теплоти зовнішнього джерела холодоагент (аміак) випаровується, поглинаючи тепло Q_г. Випарений аміак подається в конденсатор, а слабий розчин аміаку через дросель знову в абсорбер. В конденсаторі аміак скраплюється у рідину, виділяючи тепло ?Q₁, і через дросель попадає у випаровувач, де випаровується при низьких температурах і тиску Р_абс. і подається в абсорбер. Цикл замкнувся. Тепловий баланс для абсорбційної ТП такий

(18)

звідси визначаємо КПТ

(19)

Розрахунки показують, що для однакового інтервалу температур ?Т ефективність абсорбційної ТП нижча від компресійної, але її перевага в тому, що абсорбційна ТП використовує значно менше високоякісної енергії ніж компресійна, і тому стосовно КВП вони можуть бути еквівалентними, або ж абсорбційна ТП може бути ефективнішою.

1.4.2.3 Компресійно-резорбційні ТП

Ця ТП є гібридом, що суміщає парокомпресійні і абсорбційні елементи, див. рис.12, [11]. Можна виділити такі переваги гібридної ТП:

використання екологічно безпечних двокомпонентних робочих речовин;

зменшений тиск у випаровувачі і конденсаторі;

широкий вибір робочих сумішей, що дозволяє отримати високі температури (150-160?С);

пара в компресорі не перегрівається, що зменшує втрати енергії;

процеси випаровування і конденсації заміщені десорбцією і сорбцією, відповідно, що збільшує ефективність ТП.

Працює компресійно-резорбційна ТП (КРТП) так. У випаровувачі холодоагент, наприклад NH₃, при тиску Р₂ (низькому), поглинаючи тепло ДQ₂ при низькій температурі Т₂, випаровується з абсорбенту, наприклад води. Пара холодоагенту компресором стискується до Р₁>>Р₂ і подається у резорбер при температурі Т₁. Слабий розчин NH₃ з випаровувача при температурі Т₃ подається рідинною помпою у резорбер через теплообмінник, підігріваючись до температури Т₄. В резорбері пара аміаку (з компресора) насичує воду, виділяючи при цьому тепло ДQ₁ при високій температурі Т₁. Насичений розчин аміаку через дросель повертається до випаровувача.

Тепловий баланс КРТП дається рівнянням

(20)

а КПТ набуває вигляду

 (21)

Якщо вважати, що КРТП працює за оборотним циклом Джоуля (дві ізобари + дві адіабати), то отримуємо, що

(22)

Для парокомпресійної ТП, що працює за зворотним циклом Карно в інтервалі температур Т₂ ч Т₄, отримуємо, див. (11)

(23)

комбінуючи (5.22) і (5.23), знаходимо відношення

(24)

Оскільки Т₃ > Т₂ і Т₁ > Т₄, то знаходимо, що , тобто, що КПТ для КРТП більший, ніж у випадку класичної парокомпресійної ТП. КРТП з КПТ ? 3 можна використовувати для децентралізованого теплопостачання на Україні, особливо в регіонах, багатих на геотермальні води з температурою t = 30 - 60 ?С , та в південних областях в комбінації з геліоустановками, або для утилізації тепла землі з глибини 1,5 - 2,5 м за умов прийнятної тепловіддачі ґрунту.

1.5 Когенерація

Термін "когенерація" означає спільне виробництво тепла і електроенергії на одній базовій установці, що живиться від одного джерела енергії.

Ідея і технічна реалізація когенерації не нові. Прикладом класичної когенерації є ТЕЦ, у яких пара відбирається з відповідних частин турбін для потреб теплофікації. Хоча при цьому ККД щодо виробітку електроенергії знижується, проте загальний (системний) ККД, що характеризує виробіток тепла і електроенергії, зростає і, відповідно, зростає коефіцієнт використання палива (КВП), що особливо суттєво в умовах дефіциту (дороговизни) палива та з позиції впливу на довкілля. Для теплових когенераційних систем КВП = 0.75-0.85, що набагато більше, ніж для чисто електричних чи теплофікаційних. На сьогодні когенераційні установки широко використовуються [12] для потреб районного енергозабезпечення або як автономні джерела енергії.

1.5.1 Основні характеристики когенераційних установок

Якщо когенераційна установка споживає за одну секунду паливо з теплотворною здатністю W кВт і виробляє електроенергії Е кВт та тепла Q кВт, то величини, що характеризують цю установку.

З виразу випливає, що виробництво тепла і енергії взаємозв'язані, більше того, підвищуючи електричний ККД, знижуємо якість отримуваного тепла. Справді, припустивши, що електроенергія генерується з використанням еквівалентного циклу Карно, при сталому з_S та внутрішньому ККД турбогенератора з_і, отримуємо,

(25)

Т₁, Т₂ - температура на вході і виході з турбогенератора. Оскільки системний ККД когенераційної установки близький до одиниці (0.75-0.85), то , отже

(26)

тобто потенціал тепла, що дається когенераційною установкою, тим більший, чим вищий тепловий ККД і, відповідно, чим нижчий електричний ККД.

1.5.2 Типові системи когенерації

Найпоширенішими системами когенерації є системи з "верхнім" та "нижнім" циклами. У першому випадку джерело первинної енергії використовують для генерації електроенергії, а залишкове тепло використовують для гарячого водо- і теплопостачання. Системи з "нижнім циклом" - це високотемпературні хіміко-технологічні процеси (металургія) з високопотенційним теплом, що використовуються для електрогенерації і теплофікації. Найпоширенішими у світі когенераційними системами є такі:

- двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) з утилізатором теплоти, див. рис.13;

- газова турбіна (ГТ) з котлом-утилізатором або з системою допалювання вихлопних газів;

- парові конденсаційні турбіни з проміжним відбором пари;

- установки з комбінованим циклом.

Наявний технічний потенціал України дозволяє швидко наростити випуск і впровадження когенераційних систем на базі ДВЗ та з ГТ силовими установками, див. нижче.

1.5.3 Оцінка доцільності використання когенераційних систем

Щоб отримати максимальний економічний ефект від застосування системи когенерації, слід притримуватись такої стратегії:

- пам'ятати, що когенераційна система (якщо це можливо) не мусить повністю покривати Ваші потреби електроенергії та тепла, частину електроенергії закупите в енергосистемі, а для покриття нестачі тепла можна використати високоефективні котли малої потужності;

зробити аналіз доступних Вам видів палив, знати ціни на них і електроенергію та мати інформацію про сезонну і довготермінову динаміку цих цін;

детально вивчити денні, тижневі та сезонні графіки електричного та теплового навантаження на підприємстві та регіоні.

На підставі цих даних Ви повинні прийняти рішення щодо теплової та електричної потужностей когенераційних систем та вибрати її силовий модуль (ДВЗ, ГТ, ПТ чи установку з комбінованим циклом). При виборі силового модуля слід притримуватись послідовності дій, що вказані в алгоритмі.

1.5.4 Перспективи використання когенераційних систем в Україні

Найбільш перспективними щодо використання в когенераційних модулях є газотурбінні силові установки, що виготовляються на заводах "Турбоатом", м. Харків, "Мотор Січ", м. Запоріжжя, "Зоря" і НПО "Машпроект", м. Миколаїв, а також заводом "Констар", м. Кривий Ріг. Електрогенератори до установок виготовляють заводи "Електротяжмаш" м. Харків, а турбокомпресори - МНВО ім. Фрунзе м. Суми.

Найвигіднішими щодо використання у когенераційних системах є газо - дизельні силові модулі. ККД у газо - дизельних двигунів становить 35 - 40 % порівняно з25 - 35 % у дизельних, крім того, їх ККД менш чутливий до величини навантаження (для дизель - генераторів зниження навантаження на 25% зменшує ККД на 15 - 20%).

Для когенераційних модулів на базі згаданих газодизельних генераторів системний ККД ? 90%, а термін окупності біля 2.5 - 3.2 років. Стандартне співвідношення тепло/електроенергія для цих модулів ? 3/1. Розрахунки показують, що інвестиції в когенераційні модулі такого типу економічно доцільні при їх використанні не менше 5000 год/рік [13]. Хоча Україна має всі необхідні компоненти для впровадження когенераційних систем, поки що цей процес іде дуже мляво.

1.6 Питання для самоконтролю

1. Перелічіть найвідоміші шляхи реалізації ПЕ в Україні.

2. За якими ознаками класифікують котли? Перелічіть основні типи котлів та вкажіть їх особливості. Чому паливо для конденсаційного котла повинно бути з низьким вмістом сірки?

3. Перелічіть основні види втрат у котлі та запишіть баланс енергії котла. Якої величини можуть досягати втрати енергії котла і внаслідок чого?

4. У яких випадках втрати енергії у котлах зростають? Що необхідно робити, щоб не допускати цього?

5. Перелічіть всі відомі вам пристрої для рекуперації тепла у котлах.

6. Які класи енергозберігаючих матеріалів ви знаєте? Перелічіть вимоги, що ставляться до матеріалів цих класів.

7. Запишіть рівняння для потоку тепла. Що таке тепловий опір? Запишіть вираз для теплового опору плоских та циліндричних шаруватих структур.

8. Перелічіть вимоги, що ставляться до теплоізоляційних матеріалів. Вкажіть відомі вам теплоізолятори.

9. Що таке накопичувач енергії? Для чого вони потрібні і в яких випадках? Опишіть роботу гідростатичного накопичувача.

10. Перелічіть основні характеристики накопичувачів енергії. Поясніть, фізичний зміст цих величин.

11. Перелічіть основні типи накопичувачів, що ґрунтуються на фізичних та електрохімічних принципах.

12. Вкажіть відомі вам акумулятори теплоти. Поясніть, для чого вони найчастіше використовуються?

13. Що таке теплові помпи? Поясніть принцип їх роботи та скажіть, якими величинами характеризують їх роботу?

14. Дайте означення коефіцієнта перетворення теплоти? Від чого залежить ця величина? Запишіть вираз для КПТ.

15. Доведіть, використовуючи поняття коефіцієнта використання палива (КВП), що генерація тепла електронагрівними приладами з точки зору раціонального використання енергоресурсів є ідіотизмом.

16. За яких умов використання ТП для обігріву приміщень стає енергетично вигіднішим, ніж централізованого теплопостачання?

17. Перелічіть основні типи ТП. Вкажіть особливості кожного типу, їх переваги та недоліки.

18. Що таке термокомпресор? Вкажіть, у яких ТП він використовується і яка його роль?

19. Поясніть будову та принцип роботи компресійно - резорбційної ТП. Доведіть, що КПТ для цієї ТП більший, ніж для парокомпресійної для тих же умов ( різниці температур тепловіддавача та приймача).

20. Що таке когенерація? Яка основна перевага когенераційних систем. Намалюйте теплові схеми таких систем. Що стримує впровадження когенераційних систем в Україні?

1.7 Рекомендована література

1. Михтарян Н.М. Энергосберегающие технологии в жилищном и гражданском строительстве. Київ.- Наукова думка.- 2000, 414 ст.

2. Ковалко М.П. Денисюк С.П. Енергозбереження - пріоритетний напрямок державної політики України. - Київ: УЕЗ. - 1998. - 506 ст.

3. Котлы. TACIS Project No EUK 9406. - 1999. - 58 ст.

4. Теплоизоляция. TACIS Project No EUK 9408. - 1999. - 68 ст.

5. Украина: эффективность малой энергетики. - Изд. Энергет. Центра ЕС в Киеве. - 1996. - 280 ст.

6. Варфоломеев Ю.М. Тувальбаев Б.Г. Карпов А.О. Малозатратные направления снижения расходов ТЭР промышленных предприятий. // Пром. Энергетика.- 1994.- № 4.- Ст. 3 - 5.

7. Теплотехника. Під. ред. Крутова В.І. М.: Машиностроение. - 1986.- 426 ст.

8. Алабовский А.Н., Константинов С.М., Недужий И.А. Теплотехника. - Київ, Вища школа, 1986. - 255 ст.

9. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. - Москва: Стройиздат, 1985. - 351 ст.

10. Крафт Г. Системы низкотемпературного отопления. - Москва: Стройиздат, 1983. - 108 ст.

11. Быков А. В., Шмуйлов Н.Г. Сравнительный анализ характеристик компрессионно - резорбционных и парокомпрессионных тепловых насосов. // Холод. техника.- 1991. - № 5.- Ст. 8 - 13.

12. Когенерация. Центр подготовки энергоменеджеров. TACIS Project, Київ.- 1998. - 44 ст.

13. Барчинський А., Магас Є. Використання природного газу для виробництва електроенергії і тепла за спільною технологією.// Пром. енерг. - 1999.- № 10. Ст. - 2 - 7