Абсорбционные тепловые насосы

Что такое АБТН

Назначение АБТН (абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса) – утилизация бросового тепла и его трансформация на более высокий температурный уровень. Для этого тепловому насосу требуется дополнительный источник энергии – не электрический, а тепловой. Выбор модели АБТН определяется температурой бросового тепла, требуемой температурой потребителя тепловой энергии и имеющимся видом дополнительного теплового ресурса.

Принцип работы АБТН существенно не отличается от принципа работы абсорбционной холодильной машины (АБХМ). Основная разница состоит лишь в температурах рабочих сред, которые определяют некоторые конструктивные особенности АБТН. 

Абсорбционные тепловые насосы делятся на 2 типа. АБТН первого типа (АБТН-I) часто применяют в теплоэнергетике и различных отраслях промышленности. Основная доля рынка АБТН приходится на них. АБТН-II распространены значительно меньше и в основном применяются на химических производствах.

АБТН первого типа предназначен для утилизации низкотемпературной тепловой энергии (не ниже 30°С). На выходе из АБТН формируется температура до 90°С. В составе выходной тепловой энергии АБТН первого типа 40% составляет «бросовая» теплота. А 60% составляет дополнительно потребляемая высокотемпературная тепловая энергия (пар, горячая вода, теплота сжигания топлива). Также возможно использование «бросовой» энергии дымовых (отходящих) газов, отработанного пара, горячей воды, не потребляемой в теплый период года.

АБТН первого типа может заменить собой градирни системы оборотного водоснабжения, и это одна из самых перспективных областей их применения. Однако температура воды, нагретой АБТН первого типа, не превышает 90°С.

АБТН второго типа могут нагреть воду до высоких температур, могут вырабатывать также и пар, и не требуют использования дополнительного источника тепловой энергии. Однако лишь 40% утилизированной энергии трансформируется на высокотемпературный уровень, а 60 % утилизируемой энергии сбрасывается в градирню.

 Отличия абсорбционных тепловых насосов первого и второго типа

Плюсы АБТН

 

АБТН первого типа

АБТН-I позволяет утилизировать бросовое тепло, вернув его в теплофикационный цикл. Для работы АБТН-I нужен высокопотенциальный источник тепла, от температуры которого зависит температура горячей воды на выходе.

АБТН-I имеет три основных контура: бросовое тепло, высокопотенциальное тепло, нагреваемая вода. Ниже представлена схема теплового баланса.

 

 

Высокопотенциальный источник тепла. Это основной источник энергии, необходимой для работы теплового насоса. Таким теплом может быть насыщенный пар от 0,1 до 0,8 МПа, горячая вода от 90°С. Чем ниже температура высокопотенциального источника, тем сложнее идут процессы в тепловом насосе, и тем ниже температура полезной горячей воды на выходе из АБТН.

Источник бросового тепла. Это то тепло, которое ранее выкидывалось через градирню, в виде технологических стоков и пр. Таким теплом может быть вода с температурой от 20°С, бросовый пар низкого давления и др. От температуры бросового источника также зависит температура в контуре горячей воды на выходе из АБТН. Как правило разница между ними не может быть выше 40-50°С. То есть, если бросовое тепло, например, пар от турбины имеет температуру конденсации 40°С, то в контуре нагреваемой воды можно подогреть воду до 90°С. Более высокий перепад температур ведет к значительному увеличению габаритов и веса теплового насоса, снижению эффективности или вообще к невозможности изготовления.

 Нагреваемая среда. Тепловой насос первого типа может нагреть воду не выше 95°С. В условиях больших предприятий, где имеются большие расходы нагреваемой воды, целесообразнее иметь небольшую дельту по температуре и максимальный расход. Например, нагревать воду с 70°С до 75°С, а далее подогревать обычным способом (пар, котельная и т.д.). Если тепловой насос будет греть лишь до 75°С, он будет значительно меньше, дешевле и эффективней. Поэтому АБТН всегда рассчитывают под конкретные условия эксплуатации, и его размеры очень зависят от температур по всем контурам.

Типовой случай применения АБТН-I

 

 

Для утилизации бросового тепла от охлаждаемого оборудования часть теплой (35°С) воды направлена на АБТН. Он потребляет пар 0,8МПа, утилизирует бросовое тепло и нагревает обратную сетевую воду от 60°С до 80°С, далее эта вода догревается паром. Благодаря АБТН расход пара на нагрев воды 60/80°С уменьшен на 40% за счет утилизации бросового тепла. Так же частично разгружена градирня.

Как устроен АБТН-I

АБТН-I, как и АБХМ, имеет четыре основных аппарата – испаритель, абсорбер, генератор и конденсатор. Тепло вырабатывается, поскольку при поглощении паров воды раствор бромистого лития нагревается и орошает трубы абсорбера, по которым течет нагреваемая вода.

В трубах испарителя течет охлаждаемая вода – бросовое тепло. А в генератор подается пар.

 

 

 

 

АБТН второго типа (HRH-II)

АБТН второго типа используют намного реже, чаще всего на химических производствах.  Он также имеет три контура - бросовое тепло, оборотная вода, нагреваемая вода. Такой тепловой насос позволяет получать перегретую горячую воду, которую затем можно выпарить в насыщенный пар с давлением до 0,6 МПа. Источником энергии является бросовая горячая вода с температурой от 100°С.  При работе АБТН-II примерно половина тепла выбрасывается на градирню. Ниже представлена схема с тепловым балансом.

 

 

Высокопотенциальный источник тепла (бросовый). Это источник энергии, необходимый для работы теплового насоса. Таким теплом может быть горячая вода с температурой 100-120°С. Чем ниже температура высокопотенциального источника, тем сложнее идут процессы в тепловом насосе, и тем ниже температура полезной горячей воды на выходе из АБТН.

Охлаждающая вода. В отличие от АБТН-I, АБТН-II требует охлаждения оборотной водой. Это может быть отдельная градирня либо вода из общей системы водооборотного цикла предприятия.

 Нагреваемая среда. Тепловой насос второго типа может нагреть воду не выше 165°С. Далее эту воду можно преобразовать в насыщенный пар и использовать для технологических процессов.

Типовой случай применения АБТН-II

АБТН-II применяют в технологических цепочках, в которых есть бросовое тепло с высокой температурой (более 80°С) и потребность в нагреве выше 100°С.

 В данном примере тепловой насос утилизирует теплоту конденсации этанола и примерно половину от этого тепла возвращает в цикл для нагрева сырья.

 

 

Как устроен АБТН-II

АБТН-II, как и АБХМ, имеет четыре основных аппарата – испаритель, абсорбер, генератор и конденсатор. Тепло вырабатывается, поскольку при поглощении паров воды раствор бромистого лития нагревается и орошает трубы абсорбера, по которым течет нагреваемая вода.

В трубах испарителя и генератора течет горячая вода или конденсируется пар – бросовое тепло. А в конденсатор подается оборотная вода.

 

 

Принцип действия АБТН второго типа

Применение AБТН

Основными потребителями АБТН являются тепло-, электрогенерирующие компании и энергоемкие технологические производства (нефтепереработка, газопереработка, нефтехимия, производство минеральных удобрений, металлургия и т.п.).

АБТН первого типа очень широко используются в теплоэнергетических системах, где служат для предподогрева обратной сетевой или подпиточной воды за счет утилизации теплоты системы оборотного водоснабжения.

 

 

АБТН второго типа используются на промышленных предприятиях, где часто имеются излишние высокотемпературные энергетические потоки и одновременно существует потребность в энергии более высокого потенциала.

 

 

В нефтехимии, нефтепереработке и на химических производствах АБТН одновременно выполняют 2 задачи: охлаждение в одной ветви технологического процессе и нагрев в другой.

Примером использования АБТН в нефтепереработке является нагрев Н-бутана за счет тепловой энергии, утилизированной от изобутана. До 40% тепловой энергии для нагрева можно получить из «бросовой» теплоты, утилизируемой от изобутана, поступающего на орошение.

При производстве синтетического (бутадиенового) каучука в технологическом процессе одновременно нужен нагрев одной среды и охлаждение другой. Это является предпосылкой для применения АБТН, поскольку в этом случае 40% нагрева будет обеспечено энергией, утилизируемой с охлаждаемого контура.

АБТН на ТЭЦ: многие российские ТЭЦ работают по прямоточной системе охлаждения энергетических агрегатов. Природная вода при этом может загрязняться, предприятие оплачивает экологические штрафы, а тарифы на потребление воды растут.

Переход к замкнутой системе охлаждения с помощью градирен не всегда возможен (отсутствие места, дороговизна). Охлаждение энергетической установки (например, подшипников и масляной системы турбины, работающей в теплофикационном цикле) может выполнять АБТН, который заменяет собой градирню. В контуре нагрева АБТН утилизированную тепловую энергию отдает в контур предподогрева подпиточной или обратной сетевой воды.

Расход топлива на предподогрев снижается до 40%! Одновременно обеспечивается стабильность работы энергетического оборудования. Таким образом, при применении тепловых насосов существенно снижается удельное потребление топлива на ТЭЦ, уменьшается объем выбросов СО2 в атмосферу и снижается количество потребляемой природной воды.

Использование абсорбционных тепловых насосов при том же объеме потребления газа позволяет ТЭЦ выработать на 40% больше тепловой энергии.

Энергоэффективность и экологичность применения АБТН настолько велика, что в Китае на законодательном уровне запрещено строительство новых ТЭЦ без абсорбционных тепловых насосов.

Применение АБТН на пищевых предприятиях:

Применение АБТН II типа в производстве спирта позволяет существенно снизить высокие энерго- и теплозатраты в процессе:

Это позволяет существенно снизить себестоимость производства спирта.

АБТН в производстве молочной продукции:

АБТН из «бросового источника тепла» позволяет производить высокотемпературную энергию до 169°С (пар с давлением до 6 ати) для ультравысокотемпературной обработки молока, производства плавленного сыра, мгновенной, длительной и короткой пастеризации молока.

 

Преимущества АБТН Shuangliang Eco-Energy

АБТН Shuangliang - это оборудование с максимальным уровнем надежности и автоматизации. В нем использованы запатентованные оригинальные и эффективные конструктивные решения.

Абсорбционные тепловые насосы, как правило, имеют существенно большую установленную мощность, чем абсорбционные холодильные машины. Если единичная мощность серийных образцов АБХМ ограничиваются полутора десятками МВт, то единичная мощность серийно выпускаемых АБТН производства Shuangliang Eco-Energy достигает 100 МВт.

Технологические достижения и уникальные конструкторские решения Shuangliang Eco-Energy позволяют предлагать компактное (сравнительно с другими производителями), надежное и эффективное оборудование. 

Итоговая оценка качества АБХМ и АБТН формируется тремя показателями: продолжительность эксплуатации, надежность и эффективность (СОР). И по этим критериям продукция Shuangliang имеет наивысшие оценки.

 


6 АБТН, установленные на ТЭЦ в г. Янгкванг, Китай.
Теплопроизводительность каждого – 30 МВт, общая теплопроизводительность – 180 МВт!

 

Наилучшие технологические решения Shuangliang Eco-Energy

1. Коррозионная стойкость материала теплообменных труб генератора абсорбционных бромисто-литиевых машин

Shuangliang использует для изготовления трубок теплообменников АБТН сталь SS316L. Это так называемая ювелирная сталь, ее используют для изготовления самых прочных и долговечных корпусов наручных часов известных марок, в том числе всех швейцарских и японских. SS316L – это молибденовая сталь, имеющая высокую устойчивость к коррозии, особенно в агрессивных средах. Трубы генератора абсорбционного теплового насоса (АБТН) – наиболее уязвимый элемент конструкции, так как раствор бромистого лития является агрессивной средой.

Другие типы стали, например, SS304Ti, которую используют конкуренты, к примеру Thermax, более подвержены питтинговой коррозии. Она является наиболее частой причиной выхода из строя АБТН. Согласно данным исследования, проведённого финской компанией Outukumpu (один из крупнейших производителей стали в мире) нержавеющая сталь SS316L имеет более высокую коррозийную стойкость по сравнению с другими марками стали. Устойчивость к питтинговой коррозии стали SS316L в 1,45…1,55 выше, чем у стали SS430Ti.

2. Кожухотрубные теплообменники раствора бромистого лития обеспечивают эксплуатационную безопасность

Некоторые производители абсорбционных холодильных машин используют пластинчатые теплообменники раствора из-за их более низкой стоимости, тогда как в абсорбционных чиллерах Shuangliang используются кожухотрубные теплообменники раствора. Недостатком пластинчатых теплообменников является сложность раскристаллизации рабочего раствора.

Эффективность теплопередачи в пластинчатых теплообменниках выше, поэтому при некоторых условиях может происходить резкое снижение температуры раствора бромистого лития, что может привести к кристаллизации раствора.

Существующие автоматические системы защиты от кристаллизации обеспечивают надежное срабатывание. Однако практика показывает необходимость дополнительных мер защиты от возникновения кристаллизации в нештатных режимах эксплуатации, возникающих, как правило, при отсутствии должного сервиса: нарушение вакуума АБТН, резкое снижение температуры охлаждающей воды ниже допустимого значения, выход из строя регулирующего клапана подачи пара, повреждение насоса раствора и пр.

Вероятность блокирования проходов кристаллизованным раствором значительно выше у пластинчатых теплообменников чем у кожухотрубных, из-за малых размеров каналов.

Для вывода теплообменника из состояния кристаллизации необходимо прогреть ту часть, где она произошла. Определить эту часть в пластинчатом теплообменнике очень тяжело, а зачастую просто невозможно. Поэтому для восстановления работоспособности АБТН необходимо нагреть теплообменник полностью, что требует много времени, особенно при больших размерах АБТН.

Еще одним фактором, усложняющим раскристаллизацию пластинчатого теплообменника, является более высокое гидравлическое сопротивление, вследствие меньших размеров каналов.

Кожухотрубные теплообменники лишены вышеуказанных проблем, прогрев осуществляется по месту кристаллизации, восстановление работоспособности происходит быстро.

3. Эксплуатационная надежность конструкции трубных пучков теплообменника генератора высокого давления АБТН с прямым сжиганием топлива

АБТН с непосредственным сжиганием топлива предъявляет самые высокие требования к конструктивному исполнению высокотемпературного генератора. Ведущими производителями используется две основных системы: жаротрубная и водотрубная. В жаротрубных системах греющая среда (топочные газы) омывает поверхности нагрева (топочное пространство трубы – т.н. «жаровую трубу») с внутренней стороны, тогда как в водотрубных системах греющая среда омывает поверхности нагрева с наружной стороны, а нагреваемая среда находится внутри трубы.

 


Рис. 1: Водотрубная схема

 


Рис. 2: Жаротрубная схема

Недостатки жаротрубной системы высокотемпературного генератора

Преимущества водотрубных систем в сравнении с жаротрубными

 

Производители AБТН

Во времена Советского Союза на территории страны работали несколько производств, выпускавших абсорбционные холодильные машины и абсорбционные тепловые насосы. Однако технологический уровень изделий, выбор материалов, культура производства были невысоки, надежность и долговечность изделий не отвечали всем ожиданиям покупателей. На долгое время интерес к АБТН в нашей стране был утрачен.

Сейчас существует лишь один отечественный производитель — новосибирское предприятие Теплосибмаш. Однако продукцию этого предприятия нельзя назвать серийной, поскольку годовой объем выпуска измеряется единицами, качество продукции не всегда удовлетворяет современным требованиям, а стоимость отечественных АБТН относительно высока. Сейчас на российском рынке представлены американские (Carrier, Trane, York, Daikin), японские (Sanyo, Ebara, Kawasaki), итальянские (Aermec, RC Group), китайские (Shuangliang Eco-Energy, Broad, Lessar, BlueBox), корейские (LG Air Conditioning, Hyundai), индийские (Thermax) АБТН.

При этом лучшие образцы большинства АБТН произведены в Китае. Технология производства абсорбционных чиллеров и тепловых насосов в Китае в настоящее время существенно опережает технологии традиционных лидеров холодильного мира — Carrier, Trane, York. По этой причине китайские производители выпускают для этих компаний собственную продукцию.

Сегодня на российском рынке покупатель скорее всего будет выбирать между АБТН Shuangliang, Broad, Thermax, LG, Huindai, Lessar, Carrier). При выборе стоит иметь в виду следующие параметры:

- Каким способом происходит распыление раствора бромистого лития.

В самых современных машинах нет форсунок для этого процесса, поскольку при малейшем попадании грязи форсунки выходят из строя. Замена их невозможна. АБТН просто навсегда теряет мощность. Для избежания таких проблем некоторые производители устанавливает фильтр, но он требует сложного обслуживания (поскольку находится в вакуумной среде).

- Какого типа теплообменники установлены в АБТН: кожухотрубные или пластинчатые.

Пластинчатый теплообменник снижает стабильность работы машины в угоду снижения себестоимости для производителя (не для покупателя).

В случае загрязнения раствора или кристаллизации (а такие проблемы могут возникнуть с любой АБТН) пластинчатый теплообменник из-за очень узких каналов забивается, а АБТН выходит из строя. Пластинчатый теплообменник - это всегда повышение рисков для пользователя.

- Каково расположение испарителя и абсорбера в АБТН.

Конструкция АБТН Испаритель-Абсорбер-Испаритель (И-А-И) требует обязательной теплоизоляции АБТН, иначе нет гарантий, что АБТН выйдет на паспортный режим. Это увеличивает стоимость или обязывает проводить доп. работы.

Конструкция с испарителем, расположенным между двух абсорберов (Абсорбер-Испаритель-Абсорбер) позволяет вдвое увеличить расход паров хладагента и уменьшить сопротивление их движению. Также эта конструкция повышает коррозионную стойкость теплообменников и достигается стабильность параметров в течение всего срока службы. При этом не требуется теплоизоляция боковых поверхностей АБТН.

- Как установлены герметичные насосы хладагента и раствора.

Некоторые производители используют отсечные клапаны, якобы для упрощения сервиса. Но лишнее соединение потенциально может привести к утечке вакуума – то есть снижению эффективности АБТН и увеличению нагрузки на вакуумный насос.

- Широко ли представлен бренд на мировом рынке АБТН.

Некоторые производители (в первую очередь американские) сильны в производстве электрических чиллеров и кондиционеров. АБТН для них – побочный бизнес, необходимый в первую очередь для присутствия в этом сегменте. Зачастую у этих брендов маленькие заводы по производству АБТН либо они заказывают эти машины у «безымянных» сторонних производителей.

Как правильного выбрать тепловой насос?

  1. Оценить техническую возможность установки теплового насоса. Для этого необходимо предоставить параметры:
    - высокотемпературного источника энергии
    - бросового тепла
    - нагреваемого потока.
  2. Оптимизировать техническое решение с целью снижения габаритов и стоимости теплового насоса. Например, увеличив расход нагреваемой среды можно снизить максимальную температуру нагрева при той же мощности АБТН. Это позволит уменьшить оборудование.
  3. Провести технико-экономический анализ, учитывающий все эффекты от внедрения теплового насоса.
  4. Провести пред проектные проработки и выполнить технико-экономическое обоснование всего проекта.