ООО "Холодильное дело"
В РОССИИ ХОЛОД ЗА НАС!
 

Главная
Новости
Издания
Публикации
Поиск
Литература
П.О.
Компакт-диск
Подписка
Реклама
Реквизиты
Карта сайта

Copyright © 2001-2017,
ИД «Холодильное дело»

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru

"Применение аммиачных тепловых насосов"

Статья из журнала "ХБ" № 1/2008 г.

 

Использование экологически безопасных веществ природного происхождения в качестве рабочих тел в тепловых насосах представляет собой стратегическое решение проблем, связанных с гидрофторуглеродами. Наиболее важными из природных рабочих веществ являются аммиак, углеводороды и углекислота. В настоящей статье обсуждаются основные характеристики аммиачных тепловых насосов и описывается развитие норвежского рынка этой энергетически эффективной техники.

Введение

Аммиак (NH3, R717) зарекомендовал себя как лучшая альтернатива среди природных рабочих веществ, поскольку уже широко использовался в промышленных холодильных установках в течение более чем столетия. Однако он является токсичным веществом, в связи с чем его применение в холодильных системах и тепловых насосах сдерживалось в ряде стран строгими стандартами и правилами. В Норвегии аммиак нашел широкое применение в средних и крупных (более 200 кВт) тепловых насосах благодаря своим благоприятным экологическим и теплофизическим свойствам.

Характеристики аммиачных теплонасосных систем

Поскольку водный раствор аммиака вызывает коррозию меди и цинка, в аммиачных тепловых насосах наиболее широко используются конструкционные стали и алюминий.

Скрытая теплота испарения аммиака велика по сравнению с R407С и R134а, которые чаще всего применяются в Норвегии в качестве рабочих тел тепловых насосов, обслуживающих нежилые помещения. Это обстоятельство приводит к снижению массового расхода, что, в свою очередь, позволяет сократить размеры труб и арматуры на 30-50% при одинаковом снижении температуры насыщения.

Другое преимущество состоит в том, что, несмотря на низкую плотность паров аммиака, их объемная теплоемкость относительно высока. Для диапазона -5°С/50°С (температура испарения / температура конденсации) необходимая объемная производительность компрессоров для тепловых насосов, работающих на R407С и R134а, оказывается на 30-90% выше, чем для аммиачных.

При одинаковых рабочих условиях энергетические характеристики аммиачных компрессоров оказывается выше, чем для систем на R407С и R134а. Для теоретического цикла одноступенчатого теплового насоса, работающего в диапазоне -5°С/50°С с изоэнтропным адиабатическим сжатием, без перегрева или переохлаждения на всасывании, КПД аммиачного цикла на 7-11% выше, чем циклов на R407С и R134а. В реальных системах разница будет еще больше благодаря благоприятным теплофизическим свойствам аммиака. К ним относятся более крутая кривая «температура насыщения – давление», более высокое значение коэффициентов теплоотдачи и КПД компрессора. При низких степенях сжатия аммиачные компрессоры существенно лучше компрессоров на HFC, хотя при высоких степенях сжатия реализуются близкие значения КПД компрессора. Температура нагнетания аммиака намного выше, чем у гидрофторуглеродов. Поэтому, чтобы обеспечить надежную и энергетически эффективную работу компрессора, имеет смысл рассмотреть возможность таких мероприятий, как система теплоотвода при низкой температуре, применение высокотемпературных источников тепла, увеличение поверхности испарителя и конденсатора, работа испарителя в затопленном режиме, использование коротких и хорошо изолированных линий всасывания, водяное охлаждение головок цилиндров у поршневых машин, применение двухступенчатой схемы установок при степенях сжатия выше 5-6 и пароохладителей для получения горячей воды.

Другим недостатком аммиачных тепловых насосов является ограничение температуры воды, выходящей из конденсатора, на уровне примерно 48°С при использовании стандартного оборудования на давление 25 бар. Если тепловой насос подает тепло в высокотемпературную систему теплоснабжения (например, при температурах 80/60°С или 70/50°С), температура возврата может в течение довольно длительных промежутков времени оказываться выше максимальной температуры выхода из конденсатора. Это способно снизить годовую теплопроизводительность насоса, равно как и экономичность системы. Если аммиачные тепловые насосы на давление 25 бар предполагается использовать для отопления и охлаждения зданий, то имеет критическое значение, рассчитана ли с точки зрения гидравлики система распределения тепла на сравнительно низкую температуру возврата. Этого можно добиться последовательным соединением радиаторов и греющих змеевиков вентиляционной системы в сочетании с регулированием объемного расхода в первичном водяном контуре.

Используя двухступенчатую систему с компрессором 40 бар и конденсатором во второй ступени, можно поднять максимальную температуру подачи воды до примерно 68°С. Переход на двухступенчатый цикл может поднять КПД на 20-40%, но возрастут и капитальные затраты – на 80-100% по сравнению с одноступенчатой системой. Капитальные затраты на одноступенчатую систему при переходе на 40 бар увеличатся на 15-25%.

Вследствие значительного разброса значений потребной тепло- и холодопроизводительности и температуры в ситемах теплоснабжения зданий, аммиачные теплонасосные системы должны разрабатываться с высоким КПД в режимах работы с неполной нагрузкой и переменной температурой конденсации. Это побуждает использовать либо системы из нескольких тепловых насосов на поршневых компрессорах, либо винтовые компрессоры с регулируемой объемной производительностью. Обычные винтовые компрессоры в этом случае неприемлемы, поскольку имеют низкий энергетический КПД при неполной нагрузке и переменном температурном перепаде. То же относится и к центробежным компрессорам, поскольку при малом молекулярном весе аммиака (17,03) требуется многоступенчатое сжатие с числом ступеней примерно в шесть раз больше, чем в случае R134а.

Меры безопасности в связи с токсичностью рабочего вещества

Основным доводом против установки аммиачных тепловых насосов в плотнозаселенных районах являются возможные последствия неконтролируемого выброса аммиака. Аммиак – ядовитое вещество с резким запахом, который способен вызвать панику, но и облегчает поиск мест утечки. Опасное для жизни и здоровья содержание аммиака в воздухе составляет 500 ppm, смертельно опасной считается концентрация 5000 ppm. Поскольку нижний предел взрывоопасности определяется объемной концентрацией аммиака 15% и температурой 651°С, аммиак классифицируется в большинстве холодильных стандартов как токсичное, но умеренно воспламеняющееся вещество. Чтобы гарантировать максимальную безопасность систем на аммиачнх тепловых насосах, следует руководствоваться рядом обязательных или, как минимум, желательных рекомендаций:

- использовать аммиачные установки с минимальной заправкой;

- машинный зал должен быть спроектирован с учетом требований герметичности и пожаробезопасности, причем с самозакрывающимися дверями, как при размещении оборудования внутри здания, так и в контейнере на крыше;

- устройства обнаружения утечек следует снабжать визуальной и звуковой аварийной сигнализацией;

- система аварийной вентиляции, обеспечивающая разрежение вокруг аммиачных установок, должна иметь гарантированную надежность;

- следует предусматривать установку аммиачного скруббера для эффективной абсорбции паров аммиака из воздуха в вытяжной вентиляции.

Примеры реальных установок

С начала 1990-х годов в Норвегии было установлено несколько сот аммиачных тепловых насосов. Большинство систем было установлено в крупных зданиях (200кВт – 2 МВт) и в районных системах отопления и охлаждения (700 кВт – 8 МВт). Имеется также значительное количество аммиачных тепловых насосов, входящих в состав оборудования ледовых катков, а также промышленных установок (сушильные агрегаты, рыбозаводы и т.д.). Около 25 аммиачных теплонасосных систем работают по двухступенчатому циклу с давлением 40 бар. Норвежская Дирекция общественного строительства и собственности предпочитает устанавливать аммиачные тепловые насосы, поскольку аммиак является экологичным рабочим веществом с отличными теплофизическими свойствами.

Аммиачный тепловой насос в исследовательском центре (1994 г.)

В 1994 году в исследовательском центре Statoil в Трондхейме была установлена аммиачная теплонасосная система (900 кВт) для отопления и охлаждения помещений, а также получения горячей воды. Потребные значения теплопроизводительности и холодопроизводительности применительно к зданию суммарной площадью 28 000 кв. метров составляют соответственно 1,5 и 1,35 МВт. В качестве низкотемпературного источника используется морская вода с глубины 60 метров.

В состав теплонасосной системы входят два одинаковых тепловых насоса, укомплектованных двумя шестицилиндровыми поршневыми компрессорами на 25 бар, титановым пластинчатым теплообменником в качестве испарителя и двухходовым кожухотрубным конденсатором. Заправка аммиаком – около 0,2 кг на 1 кВт теплопроизводительности. Дополнительная (резервная) теплопроизводительность обеспечивается газовыми котлами-бойлерами. Поскольку машинный зал размещается в здании на первом этаже, он выполнен герметичным с самозакрывающимися дверями, причем двухступенчатая вентиляционная система поддерживает вокруг установок постоянное разрежение. К другим мерам безопасности относятся газоанализаторы с системой аварийной сигнализации и выполненный по спецзаказу аммиачный скруббер. Последний установлен в вентиляционном коробе и способен в случае крупной утечки снизить содержание аммиака в отводимом потоке воздуха до 50 ppm.

Хотя энергетическая эффективность теплонасосных установок составляет около 4,5 для проектных условий, для системы отопления в целом она не превосходит 2,5. Главной причиной столь низких характеристик является то, что бойлеры с газовым нагревом покрывают всю нагрузку при низкой температуре окружающей среды, поскольку температура возврата в системе распределения тепла при таких условиях эксплуатации выше, чем 48°С, что является максимальной температурой подачи теплонасосных установок. В результате этого теплонасосная система обеспечивает менее 80% общей потребности здания в тепле. Эта проблема могла бы быть решена за счет использования двухступенчатых тепловых насосов на 40 бар, либо, что еще лучше, перепроектирования системы отопления на более низкую температуру возврата.

Аммиачный тепловой насос в районной системе отопления и охлаждения (1998 г.)

Самый большой в Норвегии чиллер и система тепловых насосов были установлены в 1998 г. в аэропорту «Гардермоэн» в Осло. Максимальные значения тепло- и холодопроизводительности составляют соответственно 7,5 и 6,0 МВт, причем в качестве аккумулятора тепла используется подземный водяной резервуар. В состав водяной системы входят девять холодных и девять теплых скважин. В зимнем режиме работы в качестве теплого источника используется вода из теплых скважин, а возвратная вода направляется в холодные скважины. В летнем же режиме для охлаждения используется вода из холодных скважин, после чего она возвращается в теплые скважины.

Обе одноступенчатые аммиачные теплонасосные установки оборудованы кожухотрубными испарителями и конденсаторами, хотя переход на пластинчатые аппарат позволил бы существенно сократить размер заправки аммиаком. Семь 8- и 16-цилиндровых поршневых компрессоров используются для того, чтобы обеспечить высокую эффективность при неполной нагрузке. Измеренное значение энергетической эффективности системы в режиме как отопления, так и охлаждения – около 5,5.

Полная заправка аммиаком теплонасосной системы составляет 2500 кг. Из-за токсичности рабочего вещества и его значительного количества машинный зал имеет герметичное исполнение, расположен на расстоянии примерно 1 км от здания терминала и оборудован сигнализаторами утечек, надежной системой аварийной вентиляции и спринклерной системой.

Аммиачная теплонасосная система для больницы (2008 г.)

Окружная больница широкого профиля в Акерсхусе находится в настоящее время в стадии сооружения. Ввод в эксплуатацию комплекса зданий общей площадью 160 000 кв. метров планируется на октябрь 2008 года. Комбинированная аммиачная система из чиллера и теплового насоса обеспечит отопление и охлаждение зданий, причем система будет подсоединена к крупнейшему в Европе подземному силовому аккумулятору, в состав которого входят 350 скважин глубиной по 200 м, пробуренных в скальном основании.

Аммиачная система разработана York Refrigeration на базе трех одноступенчатых винтовых компрессоров с золотниковым регулированием и переменной степенью сжатия и группы из двух крупных одноступенчатых поршневых компрессоров. Максимальная холодопроизводительность группы и каждой из винтовых машин составляет примерно 2 МВт.

Полная максимальная холодопроизводительность системы – около 7,7 МВт, теплопроизводительность (при проектной температуре окружающей среды) составляет около 5 МВт. Тепло конденсации будет передаваться при максимальной температуре 52°С низкотемпературному контуру для отопления, подогрева плавательных бассейнов и т.д., а тепло от снятия перегрева при максимальной температуре 75°С – высокотемпературному контуру для горячего водоснабжения. В среднем в течение года тепловой насос обеспечит примерно 80% потребностей больницы в тепле; при пиковых нагрузках используются обычные бойлеры.

От редакции

Наш журнал неоднократно освещал проблемы повышения энергоэффективности современного холодильного и климатического оборудования, в частности, за счет применения тепловых насосов.

Эта тематика крайне актуальна в мире, но особенно важна для нашей страны, поскольку на производство единицы продукции мы тратим в 2-6 раз больше энергии, чем передовые промышленные страны.

Предлагаем нашим читателям некоторые материалы, опубликованные в «IEA Heat Pump Centre newsletter» (Швеция), в которых описываются новые схемы энергоэффективных установок и приводятся сведения о результатах их промышленной эксплуатации.

Правительство Австралии ассигнует 2 млн австралийских долларов (1,2 млн евро) на разработку экологичного холодильного оборудования для супермаркетов с использованием природных хладагентов (аммиака, углекислоты и углеводородов). Предполагается, что это позволит сократить в период с 2008 по 2012 гг. выброс парниковых газов не менее, чем на 380 000 тонн. Руководство проектом поручено NRTB – Австралийскому бюро по переходу на природные хладагенты.

eurammon.com

Начали функционировать два новых сайта, посвященных экологически безопасным хладагентам: www.r744.com/ – по вопросам использования СО2 в автомобильных кондиционерах и www.nrfund.org/ – по организации Фонда природных водоканалов.

К так называемой Инициативе по природным хладагентам (Refrigerants Naturally! Initiative), провозглашенной ранее компаниями Unilever, Coca-Cola и McDonald присоединились Carlsberg, IKEA и PepsiCo. Компании-участники выражают намерение прекратить использование гидрофторуглеродных хладагентов в производстве и реализации своей продукции. В 2005 г. деятельность Инициативы была отмечена наградой Американского агентства по охране окружающей среды.

ACR news

Опираясь на успехи нанотехнологий, британская компания General Applications разработала новый теплоизоляционный материал Nanoskin, который, как обещают, сможет сократить энергозатраты холодильных установок до 20%. Он имеет вид пленки толщиной порядка 1 мкм c вакуумными ячейками внутри, которая монтируется на внутренней (холодной) стенке теплоизоляционного объема.

ACR news

ASHRAE и ACCA разработают стандарт 183-2007 с методическими рекомендациями по расчету тепловой нагрузки в зданиях и сооружениях. Стандарт может быть заказан в печатной или электронной форме; стоимость заказа – 24 долл. США (для членов ассоциации ASHRAE – 19 долл. США).

ashrae.org

Французская компания Cemagref исследовала возможное влияние размеров каналов теплообменных аппаратов холодильных установок на TEWI. Исследование характеристик опытного теплообменника из микротрубок показало, что при этом возможно десятикратное сокращение объема заправки хладагента, что повлечет за собой снижение «прямого» TEWI (связанного с потенциальными утечками хладагента) на 90% и «косвенного» (связанного с энергозатратами на эксплуатацию) – на 10-20%. Общее снижение TEWI на 50% могло бы снизить эквивалентную эмиссию СО2 в атмосферу 600 000 французских холодильных установок на 1,2 млн тонн, что составляет примерно 2% выброса парниковых газов страны.

cemagref.fr

Канадский исследовательский центр CANMET Energy Technology предлагает компьютерную программу оценки энергоэффективности систем охлаждения катков с учетом утилизации отбросного тепла.

retscreen.net

Британскими изобретателями совместно с компаниями Inventa Parters Ltd и Building Research Establishment учреждена компания Tri-Air, специализирующаяся на получении чистого воздуха для систем кондиционирования. Испытания опытного образца установки в лаборатории показали, что она в течение пяти минут практически полностью истребляет вирусную и микробную инфекцию, а также производит очистку воздуха. Установка может быть как встроена в ситему кондиционирования, так и установлена в офисном помещении в виде отдельно стоящего блока. Опытный образец создавался при финансовой поддержке компании Price Waterhouse Coopers, ранее сотрудничавшей с такими ведущими производителями кондиционеров, как Samsung, Sanyo, LG и Daikin.

RAC magazine

Японский производитель кондиционеров Fujitsu выделил 5,5 млрд иен на создание нового центра НИОКР в г. Кавасаки. К сентябрю 2007 года планировалось возвести пятиэтажное здание площадью 20 000 кв. метров, где, в частности, должен быть установлен калориметр и камеры шумовых испытаний.

ACR news

Система криогенного обеспечения установки LHC (Large Hadron Collider) на встречных пучках протонов, сооружаемой международным коллективом в Европейском центре ядерных исследований CERN, принятая в эксплуатацию, является самой большой в мире системой криогенного охлаждения на сверхтекучем гелии (около 100 т гелия при 1,9К). Она предназначена для охлаждения 36000 тонн оборудования, большую часть которого составляют ниобий-титановые обмотки сверхпроводящих магнитов для проводки и фокусировки протонных пучков.

iifiir.org

Американский институт кондиционирования и холодильной техники (ARI) в апреле 2007 г. заявил о своей поддержке конгрессмена –республиканца Питера Хекстра, выступившего с законодательной инициативой о льготах компаниям, производящим замену своих систем кондиционирования воздуха более современными коммерческими кондиционерами и тепловыми насосами. В частности, предлагается сократить срок их эксплуатации с 39 до 20 лет. По мнению ARI, замена 35000 устаревших чиллеров может внести существенный вклад в охрану окружающей среды.

ari.org

###

 

Йерн Стене (Jørn Stene), SINTEF Energy Research, Норвегия

«КРИОГЕН-ЭКСПО. Промышленные газы 2017»

Кондиционеры, тепловые насосы, системы вентиляции