Индустриални термопомпи – част 1

Tермопомпите са съоръжения с широка приложна област в индустрията. Типично те се използват за повишаване на температурата на топлоносители на отпадна технологична топлина (обикновено въздух, вода или работен флуид) до точка, в която топлината става използваема за дадена цел, например отопление, изсушаване, загряване на вода за технологични нужди или парогенерация.

Внедряването на термопомпи в производствените и процесните предприятия способства за утилизирането на отработената топлина и може значително да намали разходите за гориво, електричество или производство на пара.

Индустриалните термопомпи, подобно на използваните за жилищни и търговски ОВК приложения, също позволяват работа в режим на отопление и охлаждане, като се нуждаят от допълнителен външен енергиен източник - топлинен или механичен, за да повишат или понижат температурата на даден топлоносител. В типичните им индустриални приложения термопомпите работят в режим „отопление”.

Основна задача при проектирането и оразмеряването на индустриални термопомпени системи е ползите от решението да надхвърлят разходите за обезпечаване на работата му.

С нарастването на екологичните изисквания към индустрията, промишлените термопомпи се превръщат във все по-важна технология за намаляване използването на горива, редуциране на въглеродните емисии и подобряване на ефективността на производствените и процесните предприятия.

Принцип на работа

Индустриалните термопомпи използват отпадна топлина, която в противен случай би била изхвърлена в околната среда. Обикновено термопомпите преобразуват работа в енергия за отопление или охлаждане с много по-ниски разходи от отоплителните съоръжения на гориво. Сами по себе си те не произвеждат топлина.

Термопомпите работят на термодинамичен принцип, познат като цикъл на Карно, който описва в идеален случай процеса на преминаване на топлинна енергия от нагревател към охладител. Когато работи в режим "охлаждане", работата на термопомпата се описва като "обратен цикъл на Карно", при който посоката на трансфер на топлинна енергия е обратна. На този принцип работят хладилните системи, климатиците и други охладителни съоръжения.

На практика работата на индустриалните термопомпи може да се обясни и с по-познатия термодинамичен цикъл на Ранкин, който обяснява превръщането на топлина в работа, например при парните турбини. При термопомпите посоката е обърната - най-често те използват механична работа, за да произвеждат топлинна енергия, чрез която повишават температурата на желания топлоносител.

Компресорни индустриални термопомпи

В индустрията се използват различни типове термопомпи, но всички те изпълняват три базови функции: получаване на топлинна енергия от източника на отработена топлина; повишаване на температурата на топлоносителя на отработената топлина; подаване на "използваемата" топлинна енергия към технологичните агрегати, в които ще бъде утилизирана.

Най-широко приложими са термопомпите, използващи механична енергия, познати като компресорни. При тях потокът отпадна топлина изпарява работния флуид на термопомпата при ниска температура и налягане. Компресорът повишава налягането на работния флуид. В последствие флуидът се кондензира при висока температура и налягане в кондензатора, като така осигурява "полезна" топлина от топлоносителя с повишена температура, която може да бъде отведена към желаното технологично съоръжение. В края на работния цикъл кондензираният флуид се отвежда обратно към изпарителя.

Потенциал за енергоспестяване

Индустриалните термопомпи се внедряват с цел намаляване на разходите за гориво, парогенерация или отопление. Икономическата им ефективност може да бъде прецизно измерена, само ако се вземат предвид цените на алтернативните енергоносители и се изчислят реализираните икономии на енергия. В общия случай работата им осигурява висок потенциал за енергоспестяване и значително намаляване на оперативните разходи на предприятията.

Ключов параметър, влияещ върху възможностите за енергоспестяване при индустриалните термопомпи, е температурната разлика, която агрегатът е в състояние да реализира. Тя се измерва чрез разликата между температурите в изпарителя и кондензатора.

При подходящи условия термопомпата може да предложи високоефективна алтернатива на конвенционални технологични процеси като парогенерация, когато температурата на загретия топлоносител е достатъчно висока, за да може той да замести парен котел или газов отоплител, например.

Висок потенциал за енергоспестяване е налице в приложения, в които разходите за експлоатация на термопомпата са много по-ниски от стойността на спестената енергия или гориво. Важно условие за икономическата ефективност на индустриалните термопомпени агрегати е нетните оперативни спестявания (разликата в стойността на потенциално необходимата и реално заплатената електроенергия (или гориво) и оперативните разходи) да са достатъчни, за да възвърнат капиталовата инвестиция в закупуването и въвеждането в експлоатация на индустриалната термопомпа в приемлив период (например от 2 до 5 години).

Видове индустриални термопомпи

Механичните термопомпи със затворен цикъл използват механична компресия на работния флуид за постигането на температурна разлика. Работният флуид обикновено е конвенционален охладителен агент (фреон).

Повечето широко разпространени механични задвижващи системи, като електродвигатели, парни турбини, двигатели с вътрешно горене и газови турбини, са подходящи за задвижване на индустриални термопомпени агрегати.

Механичните парокомпресорни термопомпи (MVC) с отворен цикъл използват механичен компресор за повишаване на налягането на отпадна технологична пара. Типично използван в такива системи работен флуид е водата. MVC помпите се считат за системи с отворен цикъл, тъй като на практика работният флуид е технологичната пара. Задвижващата система тук отново е от конвенционален тип.

Термокомпресорните термопомпи с отворен цикъл използват енергията на движеща се водна пара с високо налягане за повишаване на налягането на отпадна технологична пара посредством струен кондензатор. Подобно на MVC термопомпите, този тип агрегати също се класифицират като системи с отворен цикъл поради характера на работния флуид - водна пара под налягане.

Темата продължава в следващ брой на списанието.

Статията е изготвена със съдействието на

инж. Кръстин Йорданов, Технически университет - Варна.