7
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 8
ГЛАВА 1. Основы комбинированного теплоснабжения промышленных
предприятий ........................................................................................................... 10
1.1. Теоретические основы управления и регулирования в сфере
комбинированного теплоснабжения промышленных
предприятий………..11
1.2 Принцип работы теплового насоса ........................................................... 16
1.3 Функции и назначение тепловых насосов ................................................ 22
1.4 Современные решения получения тепловой энергии тепловыми
насосами ............................................................................................................. 29
1.5. Выводы по первой главе ............................................................................ 35
ГЛАВА 2. Разработка проекта комбинированной системы теплоснабжения
ООО «КИМБЕРЛИ КЛАРК»» ............................................................................. 37
2.1 Анализ производственного корпуса с административно-бытовым
пристроем ........................................................................................................... 37
2.2 Тепловой расчет системы отопления ........................................................ 37
2.3 Оценка удельного съема тепла .................................................................. 50
2.4 Выводы по второй главе ............................................................................. 58
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ................................ 60
3.1 Выбор теплового насоса и вспомогательных систем .............................. 60
3.2 Разработка принципиальной схемы системы ........................................... 66
3.3 Технико-экономическое обоснование принятых решений .................... 72
3.4 Выводы по третьей главе............................................................................ 77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 81
Приложение А ....................................................................................................... 85
8
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время отопление и охлаждение потребляют до 30% всей
вырабатываемой энергии. Потребление энергии, охрана окружающей среды
и загрязнение будут огромными проблемами для всех стран, поскольку
экономический рост требует развития энергетической инфраструктуры и
вызывает увеличение потребления энергии. Технологии использования
возобновляемых источников энергии единственный путь решения
энергетических проблем и путь к спасению экономики России.
Ориентируясь на потенциал геотермальной энергии, Россия может
получить огромные преимущества от этой чистой энергии. Сейчас изучаются
как мелкая, так и глубокая геотермальная энергия, и результаты показывают
эффективность этого решения.
С ростом интереса к энергосбережению и эффективному
использованию энергии во всем мире, потребность в разработке и
использовании новых и возобновляемых источников энергии быстро
возрастает, и соответствующие исследования активно проводятся по всему
миру. Среди новых и возобновляемых источников энергии, системы,
использующие геотермальные источники, привлекают значительное
внимание. Это связано с тем, что стабильная подача тепла и эффективная
эксплуатация в течение года возможны, только если геотермальная энергия
используется в качестве основного источника тепла.
Хотя геотермальная энергия демонстрирует превосходную
эффективность в качестве источника тепла для охлаждения и обогрева,
геотермальные тепловые насосные системы в основном устанавливаются в
общественных зданиях, причем это системы с низкой производительностью,
из-за высоких первоначальных инвестиционных затрат и сложности в
строительстве.
Актуальность темы исследования обусловлена возрастающим
интересом промышленных предприятий к геотермальным источникам
9
энергии. Такая система позволяет сократить потребление углеводородного
топлива за счет возобновляемого источника энергии.
Выбор темы исследования обусловлен желанием ООО «Кимберли
Кларк» сократить потребление газа для отопления производственного
корпуса с административно-бытовым пристроем.
Объектом исследования являются системы теплоснабжения на базе
теплового насоса.
Предметом исследования является система теплоснабжения на базе
теплового насоса производственного корпуса с административно-бытовым
пристроем ООО «Кимберли Кларк».
Теоретическая значимость исследования заключается в применении
современных методов и оборудования для извлечения геотермальной
энергии. Полученные решения продемонстрируют возможности
современных тепловых насосов.
Практическая значимость работы обусловлена возможностью
применения полученных решений для отопления сходных логистических
центров.
Целью работы является разработка проекта комбинированной системы
теплоснабжения, сочетающей традиционные и возобновляемые источники
энергии ООО «Кимберли Кларк». Для достижения цели работы необходимо
решить ряд задач:
1. Провести анализ функций и назначения теплового насоса.
2. Провести анализ системы теплоснабжения производственного
корпуса с административно-бытовым пристроем ООО «Кимберли Кларк».
3. Провести расчет системы теплоснабжения.
4. Провести подбор теплового насоса и систем управления.
5. Рассмотреть реализацию и особенности монтажа теплового насоса.
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
10
1.1. Теоретические основы управления и регулирования в сфере
комбинированного теплоснабжения промышленных предприятий
Традиционные системы теплоснабжения промышленных предприятий
предусматривают, как правило, наличие центральной котельной, от которой
теплоноситель в виде пара и горячей воды подается на технологию и
отопление по теплотрассам. Общий КПД таких систем на вновь построенном
предприятии не превышает 70% и по мере их эксплуатации снижается до 20-
30%, т.к. эксплуатационные расходы, связанные с отоплением
производственных и вспомогательных цехов, обслуживанием системы котел
- теплотрасса - технологический агрегат, возрастают по мере увеличения
срока эксплуатации.
В настоящее время обрела право на существование и практическую
реализацию концепция децентрализованного теплоснабжения
промышленных предприятий.
В настоящее время на предприятиях отрасли создано и широко
внедряется современное, конкурентоспособное газогорелочное и
газоиспользующее оборудование, удовлетворяющее всем требованиям
комбинированного децентрализованного теплоснабжения промышленных
предприятий.
Условно оборудование можно разбить на две группы:
- оборудование для комбинированного теплоснабжения
технологических процессов основного производства;
- оборудование для отопления производственных и
вспомогательных помещений, горячего водоснабжения и для бытовых нужд.
Оборудование для технологических процессов.
1. Теплогенераторы газовые рециркуляционные ТРГ тепловой
мощностью 100 и 200 кВт, позволяющие проводить термообработку,
например, легких и тяжелых бетонов газообразным теплоносителем,
11
представляющим смесь продуктов сгорания природного газа и воздуха
заданной температуры.
2. Для тепловой обработки ЖБИ в кассетных установках и
силикатного кирпича в автоклавах, где по условиям технологического
процесса и высокого гидравлического сопротивления по тракту
теплоносителя использование ТРГ невозможно, был разработан типовой ряд
парогенераторов производительностью по пару 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 т в час с
температурой пара 180
0
С и давлением 1 МПа (10/кв.см). Парогенераторы
могут работать также в режиме горячего водоснабжения, обеспечивая
максимальный расход горячей воды до 4 куб. м/ч при температуре 115
0
С.
3. Воздухонагреватели смесительные В ГС тепловой мощностью от 20
до 700 кВт, работающие на природном газе низкого и среднего давления,
предназначены для разогрева нерудных сыпучих материалов (на открытых и
закрытых складах), процессов сушки и др.
4. Промышленные предприятия являются потребителями большого
количества подогретой воды для технологических целей, особенно в зимний
период. С этой целью были разработаны контактные водонагреватели,
обеспечивающие подогрев воды до температуры 80 -90 ОС практически в
любых объемах.
Особенность контактных водонагревателей состоит в следующем: вода,
нагреваемая на контактной насадке, в противотоке с высокотемпературными
продуктами сгорания, используется для получения промежуточного
теплоносителя, поступающего на теплообменники, в котором и нагревается
вода, подаваемая потребителю. Таким образом, исключается прямой контакт
используемой воды с продуктами сгорания.
Образующиеся вредные вещества локализуются в промежуточном
теплоносителе в границах конструкции контактного теплообменника, легко
поддаются контролю и нейтрализации.
Преимуществами таких водонагревателей является:
12
- высокий КПД - 95 и более процентов (температура уходящих
продуктов сгорания равна температуре воды, поступающей в оросительную
систему контактной насадки);
- исключается прямой контакт воды с продуктами сгорания;
- экологическая чистота уходящих продуктов сгорания;
- небольшая разница между температурой промежуточного
теплоносителя и нагреваемой воды, что обуславливает низкую скорость или
полностью исключает накипеобразование на теплообменных поверхностях.
Водонагреватели ВРК монтируются в блок-боксе из утепленных
панелей и представляет собой агрегат моноблочной конструкции, что не
требует при их установке проведения строительно-монтажных работ.
Все выпускаемое оборудование оснащено необходимой автоматикой
безопасности, контроля и регулирования, что позволяет эксплуатировать
оборудование без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Преимущества использования автономных источников
технологического тепла с точки зрения экономии тепловой энергии
заключаются в следующем:
- возможность совмещения в единый технологический агрегат
теплогенерирующего и теплоиспользующего оборудования, что исключает
потери тепла при транспортировке теплоносителя;
- возможность регулирования и контроля технологического
процесса в широком диапазоне температур;
- возможность общего и цехового учета тепла путем установки
газовых счетчиков расхода газа.
Оборудование для отопления производственных помещений.
На основе разработанных высокоэффективных способов использования
газа как топлива [2], способе интенсификации радиационно-конвективного
теплообмена [3], реализованных в созданном оборудовании, практически
13
решается вопрос комбинированного отопления производственных,
вспомогательных и других зданий.
1. Применение конвективного воздушного отопления с помощью
воздухонагревателей позволяет отказаться от дорогостоящих и ненадежных
при низких температурах наружного воздуха систем пароводяного отопления
от централизованных котельных.
Благодаря малой инерционности, воздухонагреватели могут
использоваться в периодическом режиме работы систем отопления, а также в
качестве аварийных или резервных средств обогрева при выходе из строя
пароводяных систем.
Отличительными особенностями разработанных радиационно-
конвективных воздухонагревателей ВРК по сравнению с другими
аналогичными устройствами являются:
- повышенная температура нагреваемого воздуха (80 – 100
О
С) за
счет высокой степени интенсификации теплообмена от камеры сгорания со
стороны нагреваемого воздушного потока, что позволяет использовать
воздухонагреватели в районах Крайнего Севера;
- возможность использования как для прямого обогрева воздухом
помещения, так и для подачи нагретого воздуха через воздуховоды
приточной вентиляции;
- низкое содержание вредных выбросов в отходящих продуктах
сгорания;
- компактность, низкая металлоемкость;
- повышенный ресурс работы теплонапряженных элементов
камеры сгорания;
- высокий коэффициент полезного действия.
2. Для отопления производственных помещений объемом более 20тыс.
куб. м, применяются смесительные воздухонагреватели, которые реализуют
принцип осуществления отопления и приточной вентиляции помещений с
14
помощью смешивания продуктов сгорания газа с воздухом, КПД таких
воздухонагревателей практически равен 100%.
Установка каталитических поверхностей на горелочных устройствах
позволяет реализовать принцип глубокого окисления углеводородов,
получить практически «экологически чистые» продукты сгорания с
содержанием окислов азота на уровне 2 — 5 ррм при полном отсутствии
окиси углерода и канцерогенных веществ. Применение катализаторов
позволяет значительно расширить сферу применения смесительных
воздухонагревателей в качестве отопителей различных помещений, в том
числе и бытовых, снять вопрос о безопасности данного способа отопления.
Стоимость катализаторов не превышает 20% от стоимости
воздухонагревателя, срок службы превышает 9 месяцев.
3. С целью обеспечения возможности «лучистого» отопления
производственных цехов, нами разработан типовой ряд модульных
«темных»излучателей тепловой мощностью от50 кВт до 0,5 МВт.
Применение «темных» длинноволновых излучателей позволяет
избежать неблагоприятных факторов коротковолнового и средневолнового
излучения и при этом создать наиболее благоприятные условия
микроклимата в отапливаемом помещении, снизить до минимума фактор
пожароопасности. Температура поверхности таких излучателей может быть в
диапазоне 150 — 650 ОС, а длина волны 7 — 9 мкм.
Экономия топливно-энергетических ресурсов достигается как за счет
уменьшения тепловых потерь, так и из-за более эффективного градиента
температур по высоте отапливаемого помещения.
Тепловая мощность излучателя набирается из нескольких модулей,
которые размещаются последовательно в одной разводке труб, несущих
продукты горения от горелочных устройств. Тепловая мощность горелок
каждого модуля может быть подобрана индивидуально, а расстояния между
15
модулями могут быть различными, поэтому теплоотдача может быть
оптимизирована в соответствии с потерями тепла по длине здания.
4. Отопление с помощью нагретого воздуха не снимает полностью
вопрос отопления некоторых производственных зданий при помощи
нагретой воды, а также получения горячей воды для бытовых целей. К таким
зданиям относятся: административно-бытовые здания, мелкие мастерские.
С этой целью нами был разработан типовой ряд котлов тепловой
мощностью 40, 63, 80 и 100 кВт, котлы оснащены горелкой, обеспечивающей
минимальное содержание вредных веществ в продуктах сгорания. Котлы
являются универсальными, т.е. могут работать на газообразном, жидком и
твердом топливе, они оснащены системой, исключающей образование
конденсата на теплообменных поверхностях.
Для получения горячей воды котлы комплектуются емкостными
водонагревателями ВЕ, оптимизированными по параметрам водогрейного
котла.
5. При необходимости местного комбинированного водяного
отопления и горячего водоснабжения зданий общей площадью до 6000 кв.м,
на базе разработанных бытовых котлов и емкостных водонагревателей
компонуются (не более чем из 2-х отопительных аппаратов) тепловые
пункты, которые не подпадают под требования, предъявляемые к котельным.
Такой тепловой пункт может поставляться по просьбе заказчика в
транспортабельном блоке максимальной заводской готовности. В блоке
смонтировано все оборудование, система автоматики безопасности, контроля
и регулирования тепловой мощности.
Отличительными особенностями данных блочных горелок,
обеспечивающими широкий диапазон применения, являются:
- возможность регулирования длины факела в соответствии с
размерами топочного пространства;
- широкий диапазон регулирования тепловой мощности;
16
- низкое содержание вредных веществ в продуктах сгорания.
1.2 Принцип работы теплового насоса
Инженеры по всему миру сталкиваются с проблемами, чтобы
справиться с растущими потребностями в энергии людей. Некоторые
утверждают, что экономия энергии является более важной задачей, чем
поиск новых форм энергии и альтернативных источников. [12]
Обнаружено, что температура на определенной глубине в грунте
остается неизменной в течение всего года [12]. Это может быть эффективным
источником для охлаждения и обогрева помещений. Для использования
тепловой энергии в грунт может быть встроен теплообменник, состоящий из
трубок, зарытых в землю. Если в этом трубчатом теплообменнике
циркулируют воздух или вода, в зимний период будет извлекаться тепло из
земли для обогрева помещений, а в летнее время, энергия из горячих
помещений будет извлечена и сброшена в землю, что обеспечит охлаждение.
Тепловой насос может быть подключен к подземному теплообменнику
для повышения его эффективности и использования максимальной
геотермальной энергии. [12]
Чтобы эффективно использовать тепловую мощность грунта,
необходимо построить систему теплообменников. Обычно это массив труб,
идущих по длине здания, близлежащего поля или вертикально уходящих в
землю. Циркулирующая среда, вода или воздух, используется летом для
извлечения тепла из горячей среды здания и сбрасывания его в землю и
наоборот зимой. [7]
Тепловой насос также может быть подключен к теплообменнику для
повышения его эффективности. В литературе есть несколько расчетных
моделей для наземных теплообменников. Основными входными данными
являются геометрические характеристики системы, тепловые характеристики