Использование тепловых насосов для утилизации низкотемпературного тепла

Широко распространены и применяются для утилизации теплоты сточных вод в промышленности тепловые насосы фирмы Templifer (США).

Рисунок 10.5 – Принципиальная тепловая схема теплового насоса Templifer:

1 – конденсатор; 2 – дроссельный клапан; 3 – компрессор; 4 - испаритель

В тепловом насосе (рис. 10.5) могут использоваться источники тепла с температурой 18…54 °С на входе в испаритель, который является теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту.

При этом температура горячей воды на выходе из конденсатора, который является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, находится в диапазоне от 60 до 104 °С. В моделях, с мощностью 300…5000 кВт, используются герметичные центробежные компрессоры, а в моделях с меньшей мощностью – герметичные поршневые компрессоры. Во всех моделях могут использоваться различные хладагенты. При этом коэффициент преобразования находится в пределах 3…6.

Рисунок 10.6. – Схема утилизации теплоты сточных вод на заводе Wolverine

Тепловые насосы с такими параметрами можно использовать как на КС, так и на НС магистральных трубопроводов для нагрева воды по схеме, показанной на рис. 10.6. Схема очень проста. Тепловой насос устанавливается вместо градирни. При этом циркуляционная вода с температурой, например, 43 °С направляется в испаритель теплового насоса. Тепловой насос с центробежным компрессором нагревает воду до 88 °С. При мощности компрессора 450 кВт, тепловая мощность теплового насоса составляет 1600 кВт, коэффициент преобразования КОП = 3,4, экономия энергии, по сравнению с вариантом нагрева воды паром от парового котла на заводе Wolverine составила 65 %.

Использование градирни для охлаждения оборотной воды всегда невыгодно. Существует много схем утилизации сбросной теплоты, которые позволяют не только утилизировать теплоту и увеличивать полезную мощность, но и сократить потери воды в системе за счет предотвращения испарения ее в градирне (рис. 10.7).

Рисунок 10.7 – Схема использования сбросной теплоты оборотной воды большого вычислительного центра

1 – градирня; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор; 5 – существующий водогрейный котел

Оборотная вода, вместо градирни, направляется в испаритель теплового насоса, где отдает тепло, охлаждаясь до 24…29 °С. За счет этого тепла в конденсаторе теплового насоса осуществляется нагрев воды от 56 до 71 °С. Горячая вода может использоваться в бойлере для нагрева воды, идущей на отопление и других технических целей.

На рис. 10.8 приведена простейшая чисто утилизационная схема с тепловым насосом и каскадной раздачей тепла через утилизационные теплообменники.

Вода из охлаждающего контура компрессора поступает в испаритель теплового насоса с температурой 37 °С, в котором охлаждается до 29 °С. В конденсатор вода поступает с температурой 47 °С и нагревается до 55 °С. Подготовленная вода с t = 55 °С направляется для использования в производственных процессах и на хозяйственные нужды.

Горячая вода поступает в теплообменник ТО1, в котором нагревает химически очищенную воду; в теплообменнике ТО2 осуществляется предварительный подогрев воды в системе горячего водоснабжения, а также воды, идущей на химводоочистку. В зимнее время остаточное тепло может использоваться для подогрева воздуха в приточной вентиляции. В теплообменнике ТО3 осуществляется частичный нагрев воздуха в системе вентиляции. После этого вода с температурой 47 °С снова направляется в конденсатор теплового насоса. Коэффициент преобразования такой установки КОП = 4,3.

ТН

ТО1

ТО3

ТО2

Вода из охлаждающего контура компрессора

горячая вода для технических целей

Предварительный нагрев воды в системе горячего водоснабжения

На химводоочистку

Зимой в приточную вентиляцию

37°С

29°С

55°С

47°С

52°С

49°С

47°С

Рисунок 10.8 – Схема утилизации теплоты охлаждающей воды насосных и компрессорных установок с каскадированием теплоты