Зміст
Вступ…………………………………………………………...……...……….…..4
1. Характеристика об'єкту……………………………………………...….……...6
1.1 Географічне положення……………………………………………...……….6
1.2 Характеристика природно-кліматичних умов………………………………6
2. Обґрунтування запропонованого удосконалення……………………………8
2.1 Сучасний стан енергозабезпечення……………………………………….…8
2.2 Напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу…………………...9
2.3 Що таке геотермальна енергія?..……………………………………………11
2.4 Світовий потенціал геотермальної енергії…………………………………12
2.5 Використання геотермальних джерел енергії…………………...……...….13
2.6 Утилізація і виробництво…………………………………………...…...…..16
2.7 Екологічні аспекти………………………………………………...……..….17
2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку…..…………...……..18
2.9 Теплові насоси………………………………………………..………...……20
2.9.1 Загальна характеристика…………………………………………………..20
2.9.2 Область використання теплових насосів……………………...…..……..22
2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса………..……….22
2.9.4 Робоче тіло теплових насосів……………………………………………..23
2.9.5 Ґрунт як джерело низько потенційної теплової енергії……..…..………24
2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту25
2.9.7 Види теплообмінників…………..………………………………………...27
2.9.8 «Стійкість» систем використання низько потенційноготепла землі…..32
2.9.9 Порівняння ТНС з котельнею………………………………………….....37
2.9.10 Переваги ТНС опалення приміщення в порівнянні з котельнею……..38
3. Вибір власного теплового насосу……………………………………………39
3.1 Вибір моделі теплового насосу……………………….……….……………39
3.2 Вказівки за розрахунком — ґрунт як джерело тепла……..…………………39
3.3 Встановлення обладнання……………………………………….………….41
4. Теоретичний експеримент…………………………………………..………..46
5. Недоліки теплових насосів……………………………………………...……48
6. Структурно-функціональний аналіз виробничого процесу та розробленнямоделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій…………………………….49
Список літератури…………………………………………………………….…54
Вступ
Зростання споживання енергії, пов'язане іззбільшенням обсягів виробництва та переведенням сільського господарства напромислову основу, поліпшення умов життя населення (світло, опалення,транспорт, розваги) потребує зростаючих поставок паливо-енергетичних ресурсів.У цих умовах їх економія та більш ефективне використання набувають першочерговогозначення.
Крім цього, фундаментальні зміни венергетиці не відбудуться без відповідних змін у соціальній, економічній ідуховній сферах нашого життя. Збереження енергії і її раціональне використанняє не лише проблемою вартості тепла, води, електрики, міжнародних кредитів тощо.В першу чергу це є проблемою нашого майбутнього.
Для отримання теплоносія з відносноневисокою температурою, яка використовується для опалення та гарячоговодопостачання, нераціонально витрачати органічне паливо. Яке може забезпечитизначно більшу температуру теплоносія, таку необхідну для виробництва електричнуенергію. Одним із заходів з економії паливно-енергетичних ресурсів у системахтеплопостачання на об'єкт промислового та комунально-господарського призначенняє застосування альтернативних джерел енергії з одночасним впровадженням теплонасосних установок.
Відповідно до експертних оцінок татехніко-економічних розрахунків головними типами теплових помп для будівничоїсправи є компресійні та абсорбційні теплові насоси, зокрема, типу повітря –повітря, повітря – вода, вода – повітря, вода – вода, соляний розчин – вода.
Вибір типу теплонасосної установки длясистем теплопостачання залежить від місцевих природно-кліматичних умов,наявності дешевого та доступного низько потенціального джерела енергії.
Компресійний тепловий насос складається зпослідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника,компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником.Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, вякому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло танадходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температурапідвищується до температури вище температури конденсації. З компресорахолодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсаціїхолодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджуєтьсянижче температури оточуючого середовища, в випарник.
Компресійний тепловий насос включає в себепостачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор;виконаний у вигляді 2n секцій, де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається зпоєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресорарозташовані (n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднанічерез введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньооб'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, торобота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресоріпрототипу, а це приводить до збільшення ККД теплового насоса. Крім того,оскільки дно камери конденсатора розташоване вище дна камери випарниканасичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатковогравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється уелектроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого,збільшується ККД теплового насоса. Вказана конструкція камери компресора,складається з меншого числа деталей та простіша в виготовленні, що спрощуєконструкцію теплового насоса.
1. Характеристика об'єкту
1.1 Географічне положення
З проголошенням незалежності України,зросла роль історичних місць держави, в тому числі і Рівного, як міста, щозближує нашу державу з країнами Центральної і Західної Європи.
Місцеві підприємства прагнуть знайти своємісце в системі ринкових відносин. Це досягається насамперед за рахунок конкурентоздатноїпродукції і освоєння випуску нових видів товарів та послуг, що користуютьсяпопитом у населення.
Характерна місцевість: рівнинні райони.Погані ґрунти з болотами на півночі, горбиста місцевість на сході та півдні зчорноземами та глиноземами. Переважаючі вітри в даній місцевості є західні тапівнічно-західні, тому практично впливу на клімат міста не мають.
Ґрунти в даній місцевості мають широкийспектр: чорноземи, глиноземи, супіски. Глибина культурного шару коливається вмежах від 0.2 до 0.7 метрів.
Рівне знаходиться на відстані 210кілометрів від міжобласного центру — Львова; через місто проходить важливадержавна автомагістраль і залізничні колії.
1.2 Характеристика природно-кліматичнихумов
Для міста Рівне Рівненської областіхарактерні такі природно-кліматичні умови:
– клімат помірно-континентальний: зима –сніжна, літо – дощове, помірно тепле;
– переважаючі вітри західні тапівнічно-західні;
– середньорічна температура повітрястановить біля 7˚С тепла;
– абсолютна мінімальна температурастановить -28˚С;
– абсолютна максимальна температурастановить 35˚С;
– середня температура самого жаркого місяцястановить 17.2°С;
середня максимальна температура 23°С;
опалювальний період становить 186 днів;
середня відносна вологість повітря самогохолодного місяця становить близько 80%;
середня відносна вологість повітря самогожаркого місяця року становить в середньому 96 – 98%;
середньорічна кількість опадів становить560 – 565 мм;
середня швидкість вітру в січні місяцістановить 6.3 – 6.4 м/с;
середня швидкість вітру в липні місяці становить0.1 м/с;
глибина промерзання ґрунту становитьприблизно 35 – 45 см.
2. Обґрунтування запропонованогоудосконалення
2.1 Сучасний стан енергозабезпечення
За останні 10 років значно змінилосьстановище з енергозабезпеченням населення і виробничої сфери в нашомусуспільстві. У наслідок економічної та енергетичної кризи зменшились обсягивиробництва продукції. Це негативно впливає на рівень життя людей. Але зпосиленням цих тенденцій почалася розробка і впровадження нових методів,засобів і програм впливу на споживання енергоресурсів у всіх сферах виробництваі побуту. Науково-технічний прогрес у сучасних умовах стимулює динамічнийрозвиток малої і мікро енергетики, максимально наближених до безпосередніхспоживачів не тільки у високо розвинутих країнах, але й у країнах, девідбуваються кризові явища, як це є сьогодні в Україні. Підприємства, заводи,енергетичні гіганти в умовах швидкої зміни принципів господарювання із-за своєїінерційності стали неконкурентоспроможними, в порівнянні з малимипідприємствами, які забезпечують динамічну зміну обладнання технологій і видівпродукції, в тому числі енергозберігаючих, при порівняно невеликих інвестиціях,що сприяє їх швидкій адаптації до нових умов. Сьогодні така тенденціяенергозберігання споживачів впливає і на енергоспоживання, а отже і насобівартість, і конкурентоспроможність продукції [15].
Це все пов'язано в основному з екстенсивнимрозвитком паливно-енергетичного комплексу (ПЕК). В результаті неухильно зростаєвикористання традиційних паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР), запаси якихблизькі до вичерпання. Наближається „енергетичний голод” і загроза глобальноїекологічної катастрофи через шкідливі викиди в довкілля – чинники парниковогоефекту, який може призвести до зникнення життя на Землі. Нині все гучніше чути,що катастрофа уже розпочалася і незворотна і прискорено розгортається./>
Системні дослідження на замовлення Програмирозвитку ООН (ПР ООН) свідчить: щоб запобігати цим руйнівним тенденціям або хочаби призупинити їх, необхідно змінити пріоритети розвитку ПЕК. Насамперед слідвідмовитися від екстенсивної моделі розвитку ПЕК, тобто вжити широкомасштабнихзаходів щодо підвищення енергоефективності шляхом раціонального, ощадливогоспоживання енергії [16].
2.2 Напрямки розвитку паливно-енергетичногокомплексу
Згідно із результатами згаданих в п. 3.1досліджень, слід повсюдно впроваджувати техніку і технології використання нових(альтернативних) і відновлюваних джерел енергії (АВДЕ), тому що:
— ресурси АВДЕ невичерпні;
— технології є екологічно чистими;
— техніка і технології виробництва багатьохвидів АВДЕ вже відпрацьовані настільки, що можуть становити конкуренціюоб'єктам традиційної енергетики і тому поступово їх витісняють.
За даними Світової енергетичноїконференції, розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергіїдостатньо на такий час:
нафти – 25...30 років;
природного газу – 50...60 років;
урану для АЕС на повільних (теплових)нейтронах – 20...30 років;
плутонію для АЕС на швидких нейтронах –1000...3000 років.
Наприклад, екологічні та економічно чистіпервинні енергоносії – нафта та природний газ – дефіцити в Україні, аспоживаються прискореними темпами. Тому орієнтувати розвиток ПЕК країни на їхоснові на тривалу перспективу аж ніяк не можна. Таким чином, прийнято рядзаконів щодо економічного стимулювання енергетики на базі АВДЕ: „Проальтернативні види палива”, „Про електроенергетику”, „Про енергозбереження”,„Про внесення змін до деяких законів України щодо стимулювання розвиткувітроенергетики України”, „Про альтернативні джерела енергії”; прийнято і щерозробляється багато нормативних документів, зокрема ДСТУ і ГДК в областівітроенергетики. У вузах України для сфери АВДЕ розпочато підготовку фахівців[16].
Національно-енергетична та інші державніпрограми передбачають використання наступних АВДЕ:
вітру (ВЕС);
води (малих та міні ГЕС);
сонячного випромінювання, геотермальної,тепла довкілля, тобто поверхневих шарів Землі (ґрунту), ґрунтових вод,атмосферного повітря, вторинного тепла промислового виробництва (тепловіпомпи);
біогазу, вугільного метану, горючих твердихпобутових і промислових відходів і деяких інших альтернативних видів паливаразом з місцевими.
На розвиток і збільшення масштабіввикористання АВДЕ негативно впливають недосконалість, неврегульованість інескоординованість організації справи, відсутність єдиного керівного центру.
Ресурси АВДЕ в Україні достатньо великі.Так, за оцінками ІЕД НАНУ, технічно допустимий для освоєння вітропотенціалприблизно у 200 разів більший за нинішні обсяги генерування електроенергії україні. Вже є вітроенергетика, яка може ефективно експлуатуватися на площадкахіз середньорічною швидкістю 4.3 м/с. Отже, вітроенергетика є дуже перспективнимнапрямком модернізації українського ПЕК, скорочення споживання ПЕР і одночаснорозв'язання екологічних проблем. Крім того, в Україні є надзвичайно сприятливіумови для спорудження офшорних ВЕС на акваторіях, де параметри вітру значнокращі, ніж на суходолі.
Перспективний напрямок розвитку вітроенергетикив Україні – інтеграція з гідроенергетикою, наприклад, спільне використанняінфраструктури існуючих ГЕС або створення вітроакумулюючих електростанцій, щовидаватимуть електроенергію в мережу за графіком.
В Україні поволі розгортаються роботи з розвиткумалої гідроенергетики. Завдяки гідроенергетиці можна підтримувати графікнавантаження енергосистеми за рахунок кращих економічних показників роботи.Тому цей напрямок удосконалення ПЕК України є надзвичайно актуальним іперспективним.
Україна має великі ресурси геотермальноїенергії. Є достатньо конструкторської документації на компресійні й абсорбційнітеплові помпи, здатні забезпечити високі техніко-економічні показники.
Освоєння альтернативних видів палива тежздійснюється незадовільно, прийняття закону України „Про альтернативні видипалива” має активізувати підприємницьку діяльність у цьому напрямку.Багатообіцяючий старт за участі іноземних інвестицій – у технологійвикористання вугільного метану.
2.3 Що таке геотермальна енергія?
Теплота – одна з форм енергії. Геотермальнаенергія являє собою теплоту внутрішніх шарів Землі. Саме ця енергія є причиноютаких геологічних феноменів, як дрейф континентів, землетруси або вулкани. Підгеотермальною енергією ми звичайно розуміємо ту частину тепла земних надр, щовикористовується або може бути використана людиною.
Основна кількість теплової енергії Земліутворюється внаслідок розпаду радіоактивних ізотопів у земній корі і мантії.Збільшення температури із заглибленням у земну кору (так званий геотермальнийградієнт) становить 2,5-30С на кожні 100 метрів. У геотермальних районах, щомістяться на межі літосферних плит, температурний градієнт може бути вищим в 10разів. Часто це області з активною вулканічною діяльністю. У таких місцяхтемпература може досягати 3000С на глибині всього лише 500-1000 м. Однак значнігеотермальні ресурси можуть міститися й у районах з нормальним геотермальнимградієнтом. Зазначимо, що сучасні технічні засоби дозволяють проникати наглибину до 10 км.
Щоб використати теплоту з глибинних шарівземлі, її слід підняти на поверхню. Теплота може надходити на поверхнюприродним шляхом – через тріщини в земній корі, або ж для того, щоб її підняти,необхідно бурити свердловини. Носієм тепла є нагріта вода або водяна пара там,де температура і тиск сприяють її утворенню. Для того, щоб геотермальна рідинамогла поглинати тепло Землі, вона має циркулювати в області гарячих скельнихпорід, утворюючи геотермальні резервуари. Рідина і сам резервуар являють собоюдва з трьох основних компонентів геотермальної системи. Третій компонент –джерело тепла, в ролі якого виступають або високотемпературні (понад 6000С)магматичні породи, що підіймаються на відносно невелику глибину (5-10 км), абозвичайне тепло внутрішніх шарів земної кори. У першому випадку (магматичніпороди) з високим геотермальним градієнтом утворюються високотемпературніпароутворюючі геотермальні системи. У другому – низькотемпературні геотермальнісистеми, що містять лише гарячу воду. Одна або більше геотермальних системутворюють геотермальне поле або родовище.
2.4 Світовий потенціал геотермальноїенергії
Земля містить у собі гігантські запасиенергії. Група експертів з Міжнародної асоціації геотермальної енергії провелаоцінку запасів низько й високотемпературної енергії Землі. Результати цієїроботи представлені в таблиці.
Таблиця.2.2
Світовий потенціал геотермальної енергіїТериторії Високотемпературні джерела, придатні для виробництва електроенергії Низько-температурні джерела, придатні для прямого використання теплоти, ТДж/рік Традиційні технології, ТВт/рік Традиційні й бінарні технології, ТВт/рік Європа 1830 3700 370 Азія 2970 5900 320 Африка 1220 2400 240 Північна Америка 1330 2700 120 Латинська Америка 2800 5600 240 Океанія 1050 2100 110 Світовий потенціал 11200 22400 1400
2.5 Використання геотремальних джереленергії
Аналіз можливих областей застосування векономіці України технологій, що використовують нетрадиційні джерела енергії,показує, що в Україні найбільш перспективною областю їх впровадження є системижиттєзабезпечення будівель. При цьому вельми ефективним напрямом впровадженняданих технологій в практику вітчизняного будівництва є широке застосуваннятеплонаносних систем теплопостачання (ТСТ), що використовують як повсюднедоступне джерело низько потенційного тепла ґрунту поверхневих шарів землі.
При використанні тепла землі можна виділитидва види теплової енергії – високопотенційну і низькопотенційну. Джереломвисокопотенційної теплової енергії є гідротермальні ресурси – термальні води,нагріті в результаті геологічних процесів до високої температури, що дозволяєїх використовувати для теплопостачання будівель. Проте використаннявисокопотенційного тепла землі обмежене районами з певними геологічнимипараметрами. У Росії це, наприклад, Камчатка, район Кавказьких мінеральних вод;у Європі джерела високопотенційного тепла є в Угорщині, Ісландії і Франції.
Україна має ресурси геотермальної енергії,загальний потенціал яких в програмі державної підтримки розвитку нетрадиційнихта відновлюваних джерел енергії та малої гідро- та теплоенергетики оцінюєтьсявеличиною 438 МВт.год за рік. Геотермальні ресурси України — це передусімтермальні води і тепло нагрітих сухих гірських порід. Крім цього, доперспективних для використання в промислових масштабах можна віднести ресурсинагрітих підземних вод, які виводяться з нафтою та газом діючими свердловинами нафтогазовихродовищ.
На відміну від «прямого» використаннявисокопотенційного тепла (гідротермальні ресурси), використання низькопотенційного тепла землі за допомогою теплових насосів можливо практичноповсюдно. В даний час це один з напрямів використання нетрадиційнихпоновлюваних джерел енергії, що найдинамічніше розвиваються.
Низькопотенційне тепло землі можевикористовуватися в різних типах будівель і споруд багатьма способами: дляопалювання, гарячого водопостачання, кондиціонування (охолоджування) повітря,обігріву доріжок в зимову пору року, для запобігання обмерзанню, підігрівуполів на відкритих стадіонах і тому подібне.
Кліматичні характеристики країн Центральноїі Північної Європи, які разом з США і Канадою є головними районами використаннянізкопотенциального тепла землі, визначають головним чином потребу в опаленні;охолоджування повітря навіть в літній період потрібне відносно рідко. Тому, навідміну від США, теплові насоси в європейських країнах працюють в основному врежимі опалення. У США теплові насоси частіше використовуються в системахповітряного опалення, суміщеного з вентиляцією, що дозволяє як підігрівати, такі охолоджувати зовнішнє повітря. У європейських країнах теплові насоси зазвичайзастосовуються в системах водяного опалення. Оскільки ефективність тепловихнасосів збільшується при зменшенні різниці температур випарника і конденсатора,часто для опалювання будівель використовуються системи підлогового опалення, вяких циркулює теплоносій низької температури (35–40 °C).
Більшість теплових насосів в Європі,призначених для використання нізкопотенциального тепла землі, обладнанакомпресорами з електричним приводом.
За останні десять років кількість систем,що використовують для теплопостачання і будівель низькопотенційне тепло земліза допомогою теплових насосів, значно збільшилася. Найбільше число таких системвикористовується в США. Велике число таких систем функціонують в Канаді і країнахцентральної і Північної Європи: Австрії, Німеччині, Швеції і Швейцарії.Швейцарія лідирує по величині використання низько потенційної теплової енергіїземлі на душу населення. У Росії, нашого сусіда, за останні десять роківпобудовані лише одиничні об'єкти.Країна Встановлена потужність, МВт Вироблена енергія, ТДж/рік Австралія 24 57,6 Австрія 228 1094 Болгарія 13,3 162 Великобританія 0,6 2,7 Венгрія 3,8 20,2 Німеччина 344 1149 Греція 0,4 3,1 Данія 3 20,8 Ісландія 4 20 Італія 1,2 6,4 Канада 360 891 Литва 21 598 Нідерланди 10,8 57,4 Норвегія 6,0 31,9 Польща 26,2 108,3 Росія 1,2 11,5 Словакія 1,4 12,1 Словенія 2,6 46,8 США 4800 12000 Турція 0,5 4,0 Фінляндія 80,5 484 Франція 48,0 255 Чехія 8,0 338,2 Швейцарія 300 1962 Швеція 377 4128 Японія 3,9 64,0 Всього 6 675,4 23 268,9
Табл.2.5.1 Світовий рівень використання низькопотенційної теплової енергії з допомогою теплових насосів
Розвинуті країни світу використовують теплогеотермальних ресурсів не тільки на виробництво електроенергії, а безпосередньоу вигляді тепла: 42% для обігріву ван і басейнів; 23% для опалення; 12% длягеотермальних теплових насосів; 9% для обігріву теплиць;
Очікується, що до 2011 року встановленаелектрична потужність перевищить 14000 МВт. Однак навіть за умови застосуванняновітніх технологій у цій галузі кількість енергії, виробленої за рахунокгеотермальних ресурсів в 2007 році, становила менше ніж 0,25% від світовогопотенціалу цього виду енергії, придатного для використання.
2.6 Утилізація і виробництво
Геотермальна енергія являє собою екологічночисте й постійно відновлюване джерело енергії. Воно істотно відрізняється відінших альтернативних джерел тим, що його можна використовувати у різнихкліматичних умовах і в різні пори року. Коефіцієнт використання геотермальнихелектростанцій, як правило, перевищує 90%. Ціна електроенергії, яку виробляютьтакі електростанції, нижча, ніж на електрику, вироблену з використанням іншихвідновлюваних джерел енергії. Якщо розглянути сумарний внесок у виробництво електроенергіїгеотермальної, вітрової й сонячної енергії, а також енергії припливів івідпливів, то виявиться, що 1998 році геотермальні станції охоплювали 42%встановлених потужностей і 70% від загальної кількості електроенергії,виробленої із цих чотирьох джерел.
Геотермальне тепло можна перетворити наелектричну енергію або ж використати безпосередньо у вигляді тепла. Залежно відпараметрів геотермальних ресурсів, електроенергія виробляється в традиційнихпарових турбінах, в які надходить геотермальна рідина, що має температуру неменше ніж 1500С, або ж в установках з бінарним циклом. Існують два основнихтипи парових турбін – з протитиском і конденсаційні. Перші простіші і дешевші.Однак питоме споживання пари на 1 кВт * год виробленої енергії майже вдвічібільше, ніж у конденсаційних турбінах при однаковому тиску на вході. Затетурбіни з протитиском швидко монтуються, період запуску в експлуатацію неперевищує 13-14 місяців. Як правило, такі турбіни мають невелику потужність(2,5-5 МВт). Турбіни конденсаційного типу забезпечуються великою кількістюдодаткового обладнання. Вони набагато складніші й значно більшого розміру. Щобїх запустити, потрібно вдвічі більше часу. Однак питоме споживання пари в нихмайже вдвічі менше, ніж у турбінах з протитиском. Зазвичай використовуютьсяконденсаційні установки потужністю 55-60 МВт. Однак уже є приклади запускутурбін потужністю понад 100 МВт.
Значний прогрес досягнуто в технології, щовикористовує бінарний цикл. У цьому випадку може використовуватися вода, що маєтемпературу 80-900С. подібні установки успішно працюють у багатьох країнахсвіту.
2.7 Екологічні аспекти
Широко відомо, що виробництво аботрансформація енергії прямо або опосередковано впливає на довкілля. Це означає,що отримати ідеально чисту енергію в принципі неможливо. Однак геотермальнаенергія, порівняно з іншими видами, є найчистішою. Кількість СО2, щовиділяється при виробництві одного кіловата електроенергії звисокотемпературних геотермальних джерел становить від 13 до 380 грамів.Водночас, при спаленні природного газу емісія СО2 дорівнює 450 г/кВт*год, нафти– 906 г/кВт*год і вугілля – 1042 г/кВт * год. Згідно останніх досліджень,викиди СО2 на геотермальних електростанціях становили в середньому 65 г/кВт*годвиробленої електроенергії. Дослідження охоплювало більшу частину електростанційсумарною встановленою потужністю 5032 МВт.
Нагріта геотермальна рідина може міститирізні гази, головним чином азот і сірководень, а також у невеликих кількостяхртуть, радон і бор. Кількість цих газів залежить від хімічного складугеологічних родовищ. Однак хімічні сполуки, що містяться у геотермальномупотоці, не викидаються в повітря, а повертаються назад углиб землі за допомогоюспеціальних свердловин.
2.8 Геотермальна енергія. Стан іперспективи розвитку
На Україні є значні запаси термальних вод.Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовувати не тільки длятеплопостачання різноманітних споживачів, а й для виробництва електроенергії.Існуючі ціни на енергоносії і перспективи їх зростання, роблять економічновигідними будівництво геотермальних електростанцій практично у всіх регіонахУкраїни найближчим часом.
Геотермальна енергія є одним ізперспективних відтворюваних джерел енергії. Її давно і широко застосовуютьІсландія, США, Нова Зеландія, Угорщина і багато інших країн.
Геотермальні води характеризуються багатьмафакторами. Зокрема, за температурою вони поділяються на слаботермальні – до 40˚С,термальні – 40 — 60˚С, високо термальні – 60 — 100˚С, перегріті –понад 100˚С. Вони різняться й за мінералізацією, кислотністю, газовимскладом, тисом, глибиною залягання.
Найпростішим економічним рішенням єбезпосереднє використання геотермальних вод споживачами: не потрібновстановлювати додаткові теплообмінники і економиться водопровідна вода. Але цейспосіб придатний лише тоді, коли вода відповідає стандарту питної.
Найбільш перспективним способом відборуглибинної теплоти є створення підземних циркуляційних систем із повним абочастковим поверненням відпрацьованої води в продуктивні пласти. Ці системизапобігають виснаженню запасів геотермальних вод, підтримують гідравлічнурівновагу в підземних пластах, запобігають забрудненню навколишнього середовищав місцях розташування геотермальних об'єктів. Відпрацьована термальна водазакачується назад у підземні горизонти, що зберігає екологічну чистоту регіонуі забезпечує стабільність технологічного циклу [16].
Значно покращити ситуацію зтеплопостачанням різноманітних споживачів дозволить використання потенціалунавіть слабо термальних (від +30˚С і вище) вод, запаси яких у багатьохрегіонах країни значні. Слабо термальні води дають хороші перспективи длявикористання тепло насосних установок у виробництві, комунальному господарстві,побуті.
По мірі заглиблювання в землю температураґрунту в середніх широтах на глибині 3 – 5 метрів протягом року становить 10 –30˚С і вище.
Для розвитку геотермальної енергетики немаєпотреби створювати нові підприємства енергетичного машинобудування. Обладнаннядля геотермальних установок та систем можуть виготовляти існуючі заводи.
Показники ефективності геотермальнихустановок переважають паливні та атомні і при існуючих тарифах на тепло таелектроенергію в найближчому часі можуть розвиватися за рахуноксамофінансування. Повністю освоєною є технологія геотермального теплопостачаннянаселених пунктів, сільськогосподарських об'єктів та невеликих підприємств[15].
На сьогодні науково-дослідні роботи згеотермальної енергетики виконуються згідно з Державною науково-технічноюпрограмою „Екологічно чиста енергетика України”, яка затверджена постановою КМУ№100 від 17. 01.1996 року. Програма визначає декілька пріоритетних напрямківгеотермальної енергетик: створення геотермальних станцій теплопостачання,створення Неотес, створення систем теплопостачання з підземним акумулюваннямтепла, створення сушильних установок, створення геотермального теплопостачаннятеплиць.
2.9 Теплові насоси
2.9.1 Загальна характеристика
У природі, виробництві, сільськомугосподарстві, побуті є значні запаси розсіяної низькотемпературної тепловоїенергії, яку можна ефективно використати. Для її концентрації застосовуютьтеплові помпи (теплові помпові установки – ТПУ). Це пристрій, який за допомогоюмеханічної або електричної енергії трансформує теплову енергію низькогопотенціалу в теплову енергію більш високих параметрів.
Сучасні ТПУ по принципу роботи розділяютьсяна компресійні, абсорбційні і термоелектричні [15].
Джерелом низькотемпературної теплоти дляТПУ може бути природна теплота зовнішнього повітря, ґрунту, теплові відходипромислового і сільськогосподарського виробництва, геотермальна енергія. ТПУекономічно і екологічно вигідно використовувати у виробництві і побуті дляопалення і гарячого водопостачання при сучасних цінах на енергоносії, незважаючи на значні капітальні затрати при їх виготовленні. Хоча ТПУ не отрималив нас широкого застосування, із-за значних витрат і складності обладнання, алевони є дуже перспективними, оскільки дозволяють утилізувати практично будь-якунизькотемпературну теплоту. Практика показала, що найбільш ефективними насьогодні є парокомпресійні тепло помпові установки.
Коефіцієнт корисної дії тепло помповоїустановки враховує не тільки дроселювання, але і втрати в трубопроводах, вобладнанні при перетворенні первинної енергії в приводному двигуні і передачіїї до двигуна. Так, в даному випадку, при використанні електричної енергії дляроботи ТПУ визначити ККД її можна з виразу:
/>, (2.1)
де /> - теплота, передана вконденсаторі;
/> - робота стискування в компресорівід тиску /> до/>;
/> - коефіцієнт корисної діїтеплового потоку, який враховує втрати енергії і робочого агента втрубопроводах і обладнанні ТПУ;
/> - електромеханічний коефіцієнткорисної дії двигуна і компресора;
/> - коефіцієнт корисної діїджерела, яке виробляє додаткову електроенергію;
/> - коефіцієнт корисної діїелектричних ліній передач.
Для теплових насосів [17], що споживаютьелектричну енергію, основною величиною, яка характеризує їх енергетичнуефективність є коефіцієнт перетворення /> - відношення отриманого дляобігріву тепла /> до затраченої роботи />:
/>. (2.2)
В більшості випадків теплові помпивикористовують для опалення приміщення із значенням /> в межах від 2 до 3. Це означає,що на кожну кілокалорію затраченої роботи з допомогою теплового насосуотримують 2 – 3 кілокалорії тепла при температурі необхідній для опалення. Колитепловий насос повинен незначно підняти температуру теплоносія (наприклад,випарні установки), коефіцієнт перетворення збільшується до 10 і вище.
Теплові помпи – це складні технічніустановки. Строк окупності теплового насосу незначний, він коливається від 2 до3 років у залежності від конкретних умов. Треба також зазначити, що СПТвимагають точного підрахунку низькотемпературного джерела енергії, визначеннякількості тепла для корисного споживання і механічної енергії для роботи помпи.Низькотемпературним джерелом звично застосовують ґрунт прилеглої ділянки, атакож зовнішнє повітря [6].
Помпи тепла на сучасному етапі єнайдешевшим джерелом тепла для обігрівання приміщень і гарячого водопостачання,тепловий насос постачає у 3 – 5 разів більше енергії, ніж витрачає[6].
2.9.2 Область використання теплових насосів
В якості природного джерела тепла длязимового опалення ґрунт використовують все частіше ніж повітря та воду, хочазагальне число таких теплових насосів ще порівняно невелике.
Дослідження показали, що умови теплопередачів ґрунті залежать головним чином від його вологості [10].
Дуже важливим є велика ємкість джерелатепла низького потенціалу. При малій ємності приходиться знижувати температурукипіння речовини для отримання достатньої кількості тепла від теплоносія. Прицьому температура теплоносія помітно змінюється в процесі теплообміну, в тойчас як температура кипіння лишається постійною низькою.
2.9.3 Конструктивна схема компресійноготеплового насоса
Практика зарубіжних країн, а також нашихрегіонів показує, що найбільш ефективними є на сьогодні є компресійні тепловінасоси [17].
Компресійний тепловий насос складається зпослідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника,компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальнийнасос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститьсяхолодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить докомпресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується дотемператури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить доконденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить черездросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючогосередовища, в випарник.
Компресійний тепловий насос включає в себепостачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор;виконаний у вигляді 2n секцій, де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складаєтьсяз поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресорарозташовані ( n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднанічерез введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньооб'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, торобота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресоріпрототипу, а це приводить до збільшення ексергійного ККД теплового насоса. Крімтого, оскільки дно камери конденсатора розташовано вище дна камери випарниканасичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатковогравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється уелектроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого,збільшується ексергійний ККД теплового насоса.
2.9.4 Робоче тіло теплових насосів
В якості робочого тіла теплового насосаможуть бути виконані речовини (суміші), які мають основні властивості [14]:
низьку нормальну (при атмосферному тиску)температуру випаровування з тим, щоб процес випаровування при підводі низькопотенціальної теплоти (в області значень температур навколишнього середовища)проходив при тиску дещо перевищуючим атмосферний, для виключення можливостіпідсосу повітря в контур робочого тіла;
невисокий тиск конденсації при необхіднійтемпературі нагріву з метою знизити вимоги до конструкції компресора, якавизначається степеню стиску; гнучкі вимоги до компресора, конденсатора,охолодника конденсатора і з'єднувальних провідників, зменшення втрати енергії,яка залежить від наближення параметрів конденсації до критичних параметрів;
високу теплоту пароутворення в робочомуінтервалі температур, що обумовлює високі значення тепло виробництва ікоефіцієнт перетворення;
не токсичність, незапалюваність,вибухонебезпечність;
високу хімічну стабільність, хімічнуінертність по відношенню до конструктивних матеріалів і змащувальнихматеріалів.
За робоче тіло приймаємо аміак, оскільки цюречовину цілеспрямовано використовувати тільки в тих випадках, коли необхіднетепло невисокого потенціалу, так як вже при 60˚С тиск конденсації рівний26.92 amм. При більш високих температурах конденсації температура кінця стискуможе перевищити температуру спалаху масла.
Для використання аміаку в системах длявиробництва тепла спеціально підвищують тиск конденсації чи пристроюютьдодаткову, так звану тепло насосну, ступінь стиску речовини.
2.9.5 Грунт як джерело низько потенційноїтеплової енергії
Як джерело низько потенційної тепловоїенергії можуть використовуватися підземні води з порівняно низькою температуроюабо ґрунт поверхневих (завглибшки до 400 м) шарів землі. Тепломісткість ґрунтовогомасиву в загальному випадку вища. Тепловий режим ґрунту поверхневих шарів земліформується під дією двох основних чинників – падаючої на поверхню сонячнійрадіації і потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні і добові зміниінтенсивності сонячної радіації і температури зовнішнього повітря викликаютьколивання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добовихколивань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячноїрадіації залежно від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливається в межахвід декількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникненнясезонних коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючоїсонячної радіації не перевищує, як правило, 15–20 м.
/>
Мал. 2.9.5.1 Графік зміни температури ґрунтузалежно від глибини
Температурний режим шарів ґрунту,розташованих нижче за цю глибину («нейтральної зони»), формується під впливомтеплової енергії, що поступає з надр землі, і практично не залежить відсезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (мал. 2.10.5.1).Із збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічногоградієнта (приблизно 3 °C на кожних 100 м). Величина потоку радіогенного тепла,що поступає із земних надр, для різних місцевостей розрізняється. ДляЦентральної Європи ця величина складає 0,05–0,12 Вт/м2 .
2.9.6 Чинники, під впливом яких формуєтьсятемпературний режим ґрунту
У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходитьсяв межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системизбору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонноїзміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційнихнавантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократномузаморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатногостану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадкуяк в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовиймасив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (умерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенноюсистемою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинокрізноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежновід того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один відодного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бутизаповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншимодночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловийрежим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням,оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їхздійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієїчастинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі,що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться впоровом просторі, і багато інших.
Особливо слід зупинитися на впливівологості ґрунтового масиву і міграції вологи в його паровому просторі натеплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низькопотенційної теплової енергії.
У капілярно-пористих системах, яким є ґрунтовиймасив системи теплозбору, наявність вологи в паровому просторі надає помітнийвплив на процес розповсюдження тепла. Коректний облік цього впливу насьогоднішній день зв'язаний із значними труднощами, які перш за все пов'язані звідсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої ігазоподібної фаз вологи в тій або іншій структурі системи. До цих пір нез'ясовані природа сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність формзв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщеннявологи в паровому просторі.
За наявності в товщі ґрунтового масивутемпературного градієнта молекули пари переміщаються до місць, що маютьзнижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних силвиникає протилежно направлений потік вологи в рідкій фазі. Окрім цього, натемпературний режим верхніх шарів ґрунту робить вплив волога атмосфернихопадів, а також ґрунтові води.
2.9.7 Види теплообмінників
Ґрунтові теплообмінники пов'язують теплонасоснеустаткування з ґрунтовим масивом. Окрім «витягання» тепла землі, ґрунтовітеплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) в ґрунтовомумасиві. У загальному випадку можна виділити два види систем використаннянізкопотенциальной теплової енергії землі:
— відкриті системи: як джерело низькопотенційної теплової енергії використовуються ґрунтові води, що підводятьсябезпосередньо до теплових насосів;
— замкнуті системи: теплообмінникирозташовані в ґрунтовому масиві; при циркуляції по ним теплоносія із зниженоющодо ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту іперенесення її до випарника теплового насоса (або, при використанні теплоносіяз підвищеною щодо ґрунту температурою, його охолоджування).
Основна частина відкритих систем –свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту іповертати воду назад в ті ж водоносні шари. Зазвичай для цього влаштовуютьсяпарні свердловини. Достоїнством відкритих систем є можливість отримання великоїкількості теплової енергії при низьких витратах. Проте свердловини вимагаютьобслуговування. Окрім цього, використання таких систем можливе не у всіхмісцевостях. Головні вимоги до ґрунту і ґрунтових вод такі:
— достатня водопроникність ґрунту, щодозволяє поповнюватися запасам води;
— хороший хімічний склад ґрунтових вод(наприклад, низький вміст заліза), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних зутворенням відкладень на стінках труб і корозією. Схема такої системи приведенана малюнку .
Мал. 2.9.7.1 Схема відкритої системивикористання низько потенційної енергії ґрунтових вод.
/>
Замкнуті системи, у свою чергу, діляться нагоризонтальні і вертикальні.
Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник (уангломовній літературі використовуються також терміни «Ground heat collector» і«horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликійглибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використаннягоризонтальних ґрунтових теплообмінників обмежене розмірами наявногомайданчика.
У країнах Західної і Центральної Європигоризонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладенимивідносно щільно і сполучені між собою послідовно або паралельно (мал. 4а, б).Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників,наприклад, теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально абовертикально (мал. 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена в США.
Якщо система з горизонтальнимитеплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальнефункціонування можливе тільки за умови достатнього приходу тепла з поверхніземлі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище затеплообмінники повинна бути направлена до дії сонячних променів.
Мал. 2.9.7.2 Види гориознтальних ґрунтовихтеплообмінників
/>
Види горизонтальних ґрунтовихтеплообмінників:
а) – теплообмінник з послідовно сполученихтруб; б) – теплообмінник з паралельно сполучених труб; в) – горизонтальнийколектор, укладений в траншеї; г – теплообмінник у формі петлі; д –теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky»колектор); е – теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.
Вертикальні ґрунтові теплообмінник дозволяютьвикористовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, лежачогонижче за «нейтральну зону» (10–20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовимитеплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать відінтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні ґрунтовітеплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ,за винятком фрунтів з низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску абосухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дужеширокого поширення.
Мал.2.9.7.3
Схема опалення і гарячого водопостачанняжитлового будинку за допомогою ТНУ з вертикальним ґрунтовим теплообмінником
/>
Теплоносій циркулює по трубах (найчастішеполіетиленових або поліпропіленових), укладених у вертикальних свердловинах завглибшкивід 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтовихтеплообмінників:
— U-подібний теплообмінник, що є двома паралельноютрубою, сполученою в нижній частині. У одній свердловині розташовуються одна абодві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є відносно низькавартість виготовлення. Подвійні U-подібні теплообмінники – найбільш широковикористовуваний в Європі тип вертикальних ґрунтових теплообмінників.
— Коаксиальний (концентричний)теплообмінник. Простим коаксиальним теплообмінником є дві труби різногодіаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби.Коаксиальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.
Для збільшення ефективності теплообмінниківпростір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальнимитеплопровідними матеріалами.
Системи з вертикальними ґрунтовимитеплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодопостачаннябудівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одноготеплообмінника; для великих будівель може бути потрібно ціла група свердловин звертикальними теплообмінниками… Вертикальні ґрунтові теплообмінники коледжу «RichardStockton College» в США розташовуються в 400 свердловинах завглибшки 130 м. УЄвропі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м)використовуються в системі тепло- і холодопостачання центрального офісуНімецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).
Окремим випадком вертикальних замкнутихсистем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій,наприклад фундаментних паль із замоноліченними трубопроводами. Переріз такоїпалі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника приведений на малюнку 2.9.7.4.
При експлуатації ґрунтового теплообмінникаможе виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунтупоблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигаєпрогрітися до початкової температури – відбувається пониження йоготемпературного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювальногосезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурнийпотенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні системвикористання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості»(sustainability) таких систем.
Мал.2.9.7.4
Схеми ґрунтових теплообмінниківзамонолічених в фундаментні палі будівлі, та поперечний переріз такої палі
/>/>
2.9.8 «Стійкість» системвикористання низько потенційного тепла землі
При експлуатації ґрунтового теплообмінникаможе виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунтупоблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт невстигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурногопотенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезонувикликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціалще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низькопотенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) такихсистем.
Часто енергетичні ресурси для зниженняперіоду окупності устаткування експлуатуються дуже інтенсивно, що може привестидо їх швидкого виснаження. Тому необхідно підтримувати такий рівень виробництваенергії, який би дозволив експлуатувати джерело енергетичних ресурсів тривалийчас. Ця здатність систем підтримувати необхідний рівень виробництва тепловоїенергії тривалий час називається «стійкістю. Для систем використання низькопотенційного тепла землі дано наступне визначення стійкості: «Для кожноїсистеми використання низько потенційного тепла землі і для кожного режимуроботи цієї системи існує деякий максимальний рівень виробництва енергії;виробництво енергії нижче за цей рівень можна підтримувати тривалий час(100–300 років)». [ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainableproduction of geothermal energy — suggested definition. IGA News no. 43.January-March, 2001. 1-2.]
Проведені в дослідження показали, щоспоживання теплової енергії з ґрунтового масиву до кінця опалювального сезонувикликає поблизу регістра труб системи теплозбору пониження температури ґрунту,яке в ґрунтово-кліматичних умовах більшої частини території України не встигаєкомпенсуватися в літній період року, і на початок наступного опалювальногосезону ґрунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживаннятеплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальшезниження температури ґрунту, і на початок третього опалювального сезону йоготемпературний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Однаккриві теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплозбору наприродний температурний режим ґрунту мають яскраво виражений експоненціональнийхарактер, і до п'ятого року експлуатації ґрунт виходить на новий режим,близький до періодичному, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації,багаторічне споживання теплової енергії з ґрунтового масиву системи теплозборусупроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, припроектуванні теплонаносних систем теплопостачання є необхідним облік падіннятемператур ґрунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системитеплозбору, і використання як розрахункові параметри температур ґрунтовогомасиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСУ .
У комбінованих системах, використовуванихяк для тепло-, так і для холодопостачання, тепловий баланс відновлюється«автоматично»: у зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолодженняґрунтового масиву, в літній час (потрібний холодопостачання) – нагрів ґрунтовогомасиву. У системах, використовуючих низькопотенційне тепло ґрунтових вод,відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, щопросочується з поверхні, і води, що поступає з глибших шарів ґрунту. Такимчином, тепломісткість ґрунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок теплаатмосферного повітря), так і «знизу» (за рахунок тепла землі); величина теплопонадходжень«зверху» і «знизу» залежить від товщини і глибини залягання водоносного шару.За рахунок цих теплонадходжень температура ґрунтових вод залишається постійноюпротягом всього сезону і мало змінюється в процесі експлуатації.
У системах з вертикальними ґрунтовимитеплообмінниками ситуація інша. При відведенні тепла температура ґрунту навколоґрунтового теплообмінника знижується. На пониження температури впливають якособливості конструкції теплообмінника, так і режим його експлуатації.Наприклад, в системах з високими величинами теплової енергії (декілька десятківВатт на метр довжини теплообмінника), що відводиться, або в системах з ґрунтовимтеплообмінником, розташованим в ґрунті з низькою теплопровідністю (наприклад, всухому піску або сухому гравії) пониження температури буде особливо помітним іможе привести до замерзання ґрунтового масиву навколо ґрунтовоготеплообмінника.
Німецькі фахівці провели вимірюваннятемператури ґрунтового масиву, в якому влаштований вертикальний ґрунтовийтеплообмінник завглибшки 50 м, розташований недалеко від Франкфурта-на-Майні. Дляцього навколо основної свердловини на відстані 2,5, 5 і 10 м від було пробурено9 свердловин тієї ж глибини. У всіх десяти свердловинах через кожних 2 мвстановлювалися датчики для вимірювання температури – всього 240 датчиків. Вкінці опалювального сезону добре помітно зменшення температури ґрунтовогомасиву навколо теплообмінника. Виникає тепловий потік, направлений дотеплообмінника з навколишнього ґрунтового масиву, який частково компенсуєзниження температури ґрунту, викликане «відбором» тепла. Величина цього потокув порівнянні з величиною потоку тепла із земних надр в даній місцевості (80–100Мвт/м2) оцінюється достатньо високо (декілька ватів на квадратний метр).
Оскільки відносне широке розповсюдженнявертикальні теплообмінники почали отримувати приблизно 15–20 років тому, увсьому світі відчувається недолік експериментальних даних, отриманих притривалих (декілька десятків років) термінах експлуатації систем зтеплообмінниками такого типу. Виникає питання про стійкість цих систем, про їхнадійність при тривалих термінах експлуатації. Чи є низькопотенційне теплоземлі поновлюваним джерелом енергії? Який період «відновлення» цього джерела?
З 1986 року в Швейцарії, недалеко відЦюріха, проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками. У ґрунтовому масиві був влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінниккоаксіального типу завглибшки 105 м. Цей теплообмінник використовувався якджерело низько потенційної теплової енергії для теплонасосної системи,встановленої в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовийтеплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожен метрдовжини, що створювало значне теплове навантаження на навколишній ґрунтовиймасив. Річне виробництво теплової енергії складає близько 13 МВт.
На відстані 0,5 і 1 м від основноїсвердловини були пробурені дві додаткових, в яких на глибині в 1, 2, 5, 10, 20,35, 50, 65, 85 і 105 м встановлено датчики температури, після чого свердловинибули заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожнітридцять хвилин. Окрім температури ґрунту фіксувалися і інші параметри:швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора температураповітря і тому подібне.
Перший період спостережень продовжувався з1986 по 1991 рік. Вимірювання показали, що вплив тепла зовнішнього повітря ісонячної радіації наголошується в поверхневому шарі ґрунту на глибині до 15 м.Нижче за цей рівень тепловий режим ґрунту формується головним чином за рахуноктепла земних надр. За перших 2-3 року експлуатації температура ґрунтовогомасиву, що оточує вертикальний теплообмінник, різко знизилася, проте з кожнимроком пониження температури зменшувалося, і через декілька років система вийшлана режим, близький до постійному, коли температура ґрунтового масиву навколотеплообмінника стала нижча первинної на 1-2 °C.
Восени 1996 року, через десять років післяпочатку експлуатації системи, вимірювання були відновлені. Ці вимірюванняпоказали, що температура ґрунту істотним чином не змінилася. У подальші рокибули зафіксовані незначні коливання температури ґрунту в межах 0,5 °C залежновід щорічного опалювального навантаження. Таким чином, система вийшла наквазістаціонарний режим після перших декількох років експлуатації.
На підставі експериментальних даних булипобудовані математичні моделі процесів, що проходять в ґрунтовому масиві, щодозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури ґрунтового масиву.
Математичне моделювання показало, щощорічне пониження температури поступово зменшуватиметься, а об'єм ґрунтовогомасиву навколо теплообмінника, схильного до пониження температури, з кожнимроком збільшуватиметься. Після закінчення періоду експлуатації починаєтьсяпроцес регенерації: температура ґрунту починає підвищуватися. Характерпротікання процесу регенерації подібний до характеру процесу«відбору» тепла: у перші роки експлуатації відбувається різкепідвищення температури ґрунту, а в подальші роки швидкість підвищеннятемператури зменшується. Тривалість періоду «регенерації» залежитьвід тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. Уданому випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнювавтридцяти рокам, і період «регенерації» також оцінюється в тридцятьроків. [Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems — the Europeanexperience. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2006.]
Таким чином, системи тепло- і холодопостачаннябудівель, використовуючи низькопотенційне тепло землі, є надійним джереломенергії, яке може бути використаний повсюдно. Це джерело може використовуватисяпротягом достатнього тривалого часу і може бути відновлений після закінченняперіоду експлуатації.
2.9.9 Порівняння ТНС з котельнею
При порівнянні ТНС з котельнеюзабезпечується співставність варіантів по кінцевому енергетичному ефекту:нагріта вода подається в теплову мережу по однаковому температурному графіку. Вваріанті з ТСН котельня використовується тільки в якості пікового джерелатеплопостачання в особливо в холодну пору року, тому річне споживання палива наТНС значно менше, ніж в котельні. Але на вироблення споживаної ТНС електричноїенергії використовується паливо на електростанції.
Економія палива на ТНС в порівнянні зкотельнями може складати в закритих системах теплопостачання 20 – 26%, ввідкритих – 28 – 34%. Якщо частковий розхід умовного палива на виробництвоелектроенергії прийнято тільки по конденсаційним електростанціям (безврахування ТЕЦ), то розрахункова економія палива в закритих системах знизитьсядо 16 – 21%, в відкритих до 24 – 29%.
В цілому можна говорити, що від використанняТНС як в відкритій, так і в закритій системах теплопостачання можна очікуватисуттєвої економії палива (15 – 30%) [15].
2.9.10 Переваги теплонасосної системиопалення приміщення в порівнянні з котельнею
Складаючи техніко-економічні показникитеплонасосної системи опалення приміщення з котельнею по одночасним затратам іексплуатаційним витратам, можна зробити наступні висновки [13]:
опалювальні теплонасосні установкипотребують збільшення (більше ніж в 2 рази) одночасних затрат на обладнання впорівнянні з котельними. Зменшення затрат на теплові помпи може бути досягнутивикористанням електронагрівачів для зняття пікових навантажень. Більш всьогоекономічно оправдовують себе системи, при яких тепловий насос літомвикористовується для кондиціонування повітря. При цьому значно скорочуютьсястроки окупності обладнання;
експлуатаційні витрати на тепло насоснуустановку зазвичай нижчі, ніж для котельних. Основні витрати падають на паливодля котельні і електроенергію для теплового насоса.
3. Вибір власного теплового насосу
3.1 Вибір моделі теплового насосу
Зимній холод змушує задуматись над надійноюсистемою опалення. Для мешканців сотень тисяч заміських будинків, куди недотягнулись труби районних котелень, це гостра проблема.
Своєрідність ринку теплових насосів полягаєв тому, що не можна просто прийти і вказати на агрегат, який сподобався. Моделіпредставлені тільки в каталогах, і їх нема на складі. Ваш вибір тільки покладепочаток обговоренню. Спеціалісти фірми старанно працюють з проектом щоб визначититепловтрати будівлі, і з доступною ділянкою – щоб визначити її енергетичнийпотенціал. Вибраний вами ТН може бути змінений (немов костюм по фігурі) — посуті виконуватиметься на замовлення, і у вас буде через місяць. Все ж первиннийвибір важливий, від цього залежить успіх справи.
По-перше ТН рекомендується використовуватидля низькотемпературних систем опалення.(підлогове водяне, повітряне)
По-друге дім слід добре теплоізолювати.Крім того, рекомендується використання ТН в так званих бівалентних системахопалення. Це значить, що крім ТН в системі працює ще один постачальник тепла.
3.2 Вказівки за розрахунком — ґрунт якджерело тепла
Ґрунтовий тепловий колектор повинен бутирозрахований на холодильну потужність теплового насоса. При заміні застарілоготеплового насоса на нову модель слід перевірити потужність колектора і, принеобхідності, погоджувати з новою холодильною потужністю. Енергія,закумульована в ґрунті, поступає майже виключно через його поверхневий шар. Прицьому основним постачальником енергії є сонячне випромінювання. Притоку теплазсередини землі менше 0,1 Вт/м2 і ним можна знехтувати. Транспорт тепла в ґрунтіздійснюється майже виключно за рахунок теплопровідності, причому коефіцієнттеплопровідності ґрунту збільшується з підвищенням вмісту вологи. Так само, які теплопровідність, теплоакумулююча здатність ґрунту визначається, головнимчином, вмістом вологи в ґрунті. Замерзання вологи, що міститься в ґрунті,приводить до помітного підвищення кількості отримуваної енергії, оскількиприхована теплота танення, складає 0,09 кВтч/кг, тобто дуже висока. Такимчином, утворення льоду навколо прокладених у ґрунті змійовиків зовсім не єнедоліком.
Для тих, хто володіє достатньою кількістюземлі або ґрунтової води, насоси сольовий розчин/вода або вода/вода ідеальні яктеплові насоси. Пластикові трубопроводи ґрунтового колектора або геотермічногозонда, що прокладаються в землі, в яких циркулює теплоносій, підводять енергіюдля теплового насоса. Але також вода з природних джерел і з поверхні озер ірічок може бути джерелом тепла. В більшості випадків це ґрунтова вода з природнихджерел (наприклад, джерел). Тепло навколишнього середовища вилучається черезтеплообмінник з води з температурою від +7°С до +12°С.
Комплектація
Щоб покрити велику площу опалювання нашимисерійними тепловими насосами можна застосовувати декілька приладів одночасно.Для цього існують комплекти, які складаються з двох насосів з аксесуарами.
Техніка
Один пристрій для обох випадківвикористання. Після відключення пристрою захисту від замерзання, тепловий насосВода/Вода використовується як тепловий насос Сольовий розчин/ Вода. Монтажздійснюється в непромерзаючих приміщеннях.
Управління відповідно до розмірів.
Управління тепловим насосом здійснюється задопомогою пристрою управління тепловим насосом, який переважно розташованийпоблизу від теплового насоса або встановлений безпосередньо в тепловий насос.
Тепло «витягується» знавколишнього середовища через теплообмінник
Отримувана при цьому енергія разом з тепломкомпресором, що виділяється, підводиться до теплообмінника (дефлегматору)насоса. Залежно від потреби в обігріві, гаряча вода може підігріватися дотемператури від 15°С до 60°С. Передумовою для бездоганної роботи є належне професійноговиконання системи джерела тепла. Для експлуатації як тепловий насос Сольовийрозчин/ Вода, відповідно до планових документів і вказівок виробникастворюється абсорбер з великою площею поверхні (ґрунтовий колектор,геотермічний зонд). При застосуванні теплового насоса вода/вода проводитьсяустановка джерела в відповідності з плановими документами і вказівкамивиробника. При цьому необхідно брати до уваги холодотворність теплового насоса.
3.3 Встановлення обладнання
Прокладка труб
Пластикові труби діаметром 25 х 2,3 ммзавдовжки до 60 м прокладаються в ґрунті. Збірка здійснюється кваліфікованимпідприємством по виробництву бурових робіт. Геотермічний зонд завдовжки,наприклад, 50 м складається з
200 метрів ПЕ труб (2 х 50 м — подаючалінія, 2 х 50 м — зворотна лінія).
Розпорядження
При облаштуванні геотермічних зондівзавглибшки не більше 100 м необхідно повідомити про це відповідну організацію іотримати її дозвіл. При глибинах понад 100 м потрібне спеціальне узгодження.
Вказівки по установці:
— розподільник і колектор повиннірозташовуватися так, щоб в майбутньому бути доступними при оглядах, наприклад,у власних розподільних шахтах або в приямках підвальних вікон зовні удома — всітруби, що прокладаються, і фітинги повинні бути виготовлені з матеріалів,стійких до корозії;
— всі трубопроводи в будинку і фітинги, щопроходять крізь стіни, повинні бути герметизовані від дифузії пари, щобперешкоджати утворенню конденсату, оскільки в підвідних і відвідних трубопроводах,циркулює сольовий розчин з температурою нижчою, ніж температура в підвалі;
— для заповнення системи необхіднопередбачити відповідні пристрої;
— концентрат сольового розчину спочаткузмішайте з водою і лише після того заливайте в систему;
— щоб геотермічні зонди можна булобезперешкодно продувати, труби повинні прокладатися з підйомом в напрямі доколектора;
— оскільки при різних температурах маємісце зміна об'єму сольового розчину, необхідна запобіжна арматура ірозширювальні баки ;
— перед введенням в експлуатацію, всюсистему геотермічного зонда, включаючи розподільник і сполучний трубопровід,слід випробувати під тиском після заправки сольовим розчином ;
— споруда і експлуатація геотермічногозонда підлягає реєстрації;
— при додаванні у воду антифризу міняєтьсяв'язкість теплоносія. При ростанні частки антифризу, сольовий розчин стає в'язкішим.Це впливає на планування роботи насоса. Оскільки в'язкість сильно впливає черезкоефіцієнт тертя на втрати тиску, це повинно братися до уваги при визначенніпараметрів насоса (поправочний коефіцієнт 1,5).
Циркуляційний насос
Циркуляційний насос для контуру джерелатепла повинен розраховуватися виходячи з умов, характерних для цієї системи.Для визначення параметрів колодязного насоса в основу закладаються наступнідані:
— Витрата теплового насоса (з боку джерелатепла)
— Перепад тиску теплового насоса (з бокуджерела тепла)
— Перепад тиску в трубопроводі відогорожного колодязя до скидного колодязя
— Перепад тиску в арматурі, наприклад накульковому зворотному клапані (добавка близько 30% до різниці тиску втрубопроводі)
— Втрати тиску в скидному колодязі(емпіричне значення близько 200 гПа)
— Геодезична висота натиску (у системі,замкнутій з боку колодязя)
Знаючи суму всіх перепадів тиску і величинувитрати теплового насоса, з діаграм від виробника можна вибрати колодязнийнасос.
Температура води
Теплові насоси можуть експлуатуватися врежимі «тепловий насос Вода/Вода» при температурах джерела тепла неменше +7 ° С.
Контроль витрати
(Слід проводити при першому введенні вексплуатацію). Зміряйте температуру подаючої і зворотної лінії з боку джерела тепла.З обох зміряних значень визначите різницю температур і шляхом обчисленьзнайдіть витрату.
Під'єднання
Щоб перешкодити передачі шумів, контуртеплового джерела слід під'єднувати гнучкими напірними шлангами. Якщо вколодязну воду поступають підвищені кількості твердих речовин (пісок, дрібнасуспензія і тому подібне) (аналіз води), слід встановити фільтри попередньогоочищення або басейн-відстійник. Інакше може відбутися засмічення випарника.
Характеристика води
Щоб можна було ухвалити рішення про застосуваннятеплового насосу Вода/Вода, погодившись з його стійкістю до корозії і щобуникнути порушень в системі джерела тепла, можливість використання слідоцінювати на підставі аналізу води і нижченаведених даних для порівняння. Длявирішення важливі наступні результати аналізу: Значення концентрацій домішок уводі не повинні бути вище, ніж:
Величина рН від 6,5 до 9
Хлорид
Вільні хлориди
Нітрат
Сульфат
Вільна вугільна кислота
Залізо і марганець
Кисень
Електропровідність від 50 до 1000 мС/см
* Це значення змісту домішок у воді повиннепідтримуватися, щоб
запобігти забрудненню випарника і йогопідведення, а також забрудненням всмоктуючого колодязя охрою.
Вибір розміру циркуляційного насосу розсолу
Об'ємна витрата розсолу повинна бутиузгоджена з потужністю теплового насоса і повинна забезпечуватися циркуляційнимнасосом розсолу.
Разом з об'ємною витратою необхідновраховувати гідравлічні опори в контурі установки розсолу і технічні данівиготівника насоса. При цьому втрати тиску в послідовно включенихтрубопроводах, вбудованих пристроях і теплообмінниках повинні підсумовуватися.Гідравлічний опір для суміші води з антифризом (25%) в порівнянні з водоюповинен прийматися більшим, з поправочним коефіцієнтом від 1,5 до 1,7.
Концентрація розсолу
Щоб уникнути обмерзання випарника у воду настороні джерела тепла слід додавати антифриз. При прокладці змійовиків в ґрунтітемператури, що виникають в холодильному контурі, вимагають захисту відзаморожування при 14 °C. Застосовується антифриз на основі моноетилгліколя.Концентрація розсолу при прокладці в ґрунті складає від 25% до, максимум, 30%.
Температура замерзання
Концентрація розсолу визначаєтьсязапланованим діапазоном робочих температур.
Вказівки, які слід виконати:
— отримайте згоду у відповідній організації;
— перевірте наявність ґрунтових вод і їхпридатність до використання (аналіз води);
— на підставі аналізу води перевіртеможливість застосування теплового насоса;
— облаштування основного колодязя іскидного колодязя на відстані приблизно 15 м;
— облаштування колодязя відповідно до особливихвимог до приміщення для установки;
— потрібний відповідний стінний прохід дляколодязного пристрою;
— витримуйте відстані від стін (сервіс);
— під'єднуйте трубопроводи підвідних і зворотнихліній до теплового насоса за допомогою гнучких сполучних шлангів;
— у разі потреби облицьовуйте стіниприміщення, де розміщується устаткування, матеріалами з високимзвукопоглинанням;
— беріть до уваги прокладку кабелів і під'єднанняелектроживлення;
4. Теоретичний експеримент
Для того, щоб унаочнити економічнудоцільність використання ТНС я провів розрахунок енергозбереження і зниженнявитрат на опалення і гаряче водопостачання при установці геотермальноготеплового насоса Thermia Diplomat 16. Розрахунок проведений для індивідуальногожитлового будинку площею 300 кв. метрів. Вартість 1 кВт електроенергії прийнята0.24 грн., вартість 1000куб.м. газу — 980,00 грн. Вихідні дані: Максимальна необхідна потужність, кВт 21 Річна потреба тепла для опалення, кВт/год 59240 Річна потреба тепла для гарячого водопостачання, кВт/год 5000 Загальні річні потреби тепла, кВт/год 64240 Розрахункова температура в приміщенні, С 20
Розрахункові дані:
/> Енергія, що отримується від теплового насоса за рік, кВт/год 57410 Енергія, яку тепловий насос споживає за рік, кВт/год 14990 Додаткова необхідна енергія за рік, кВт/год 1830 Загальне споживання електроенергії за рік, кВт/год 16820 Загальна економія енергії за рік, кВт/ч 47420 Загальна економія енергії за рік, всього, %
/>74%
Розрахунок вартості: Вартість опалення газом, грн. 7840 Вартість опалення на електроенергії, грн. 15420 Вартість опалення тепловим насосом, грн. 4040 Економія в порівнянні з опаленням газом, грн. /% 2460/62 Економія в порівнянні з опаленням на електроенергії, грн. /% 11380/382
Якщо порівнювати встановлення тепловогонасосу с ґрунтовим теплообмінником і встановлення котельні на дизельному паливіз паливним господарством, димовою трубою і автоматикою, різниця в вартості нівелюєтьсяза 3-5 років.
5. Недоліки теплових насосів
Як і в будь-якій установці, в дійсномуциклі теплового насоса є свої недоліки. Для теплової помпи – це відхилення відтеоретичного [13]:
необоротність процесу стиску речовини вкомпресорі;
необоротні втрати внаслідок кінцевоїрізниці температур між речовиною і теплоносієм в процесі відводу теплотиперегріву;
необоротні втрати внаслідок кінцевоїрізниці температур між речовиною і теплоносієм в процесі відводу теплотиконденсації;
необоротні втрати внаслідок кінцевоїрізниці температур між
речовиною і теплоносієм в процесіпереохолодження речовини;
втрати в результаті дроселювання речовини;
необоротні втрати із-за кінцевої різницітемператур в процесі випаровування речовини в випарнику;
втрати пов'язані з необоротноютеплопередачею між речовиною і стінками циліндрів в процесі всмоктування;
втрати від тертя в рухомих частинахустановки.
Це означає, що систему опалення чи гарячоговодопостачання слід планувати таку, що вимагає температуру теплоносія на вході50-60˚ С.
Загалом, єдиним істотним недоліком тепловихнасосів є їх ціна.
6. Структурно-функціональний аналізвиробничого процесу та розроблення моделі травмонебезпечних та аварійнихситуацій
Підбір місця розташування для встановленнякомпресійного теплового насоса та його обладнання здійснюється за такимивимогами, як здатність конструкцій стін витримати навантаження від каскадуапаратів насоса, достатня площа приміщення для всього набору апаратури,підключення до електромережі, влаштування заземлення або занулення даноїсистеми опалення, оптимально розраховане необхідне природне і штучнеосвітлення, а також вентиляція.
Компресійний тепловий насос містить постачальнийнасос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор, якийвідрізняється тим, що він виконаний в вигляді 2n секцій, де n = 1,2,3..., кожназ яких виконана з об'єднаних між собою камер випарника, компресора таконденсатора, у поршні компресора розташовано n клапанів, причому камеривипарника та конденсатора з'єднані через гідроагрегат, який розташований міжними та має висоту меншу ніж відстань між днищами випарника та конденсатора.
У зображеннях процесів формування,виникнення аварій та виробничих травм усі випадкові події, що утворюютьконкретну аварійну ситуацію, пов'язані між собою причинно-наслідковимизв'язками.
Метод логічного моделювання потенційнихаварій, травм та катастроф відкриває можливість розробити досконалу системууправління БЖД виробництва, яка базується на оперативному пошуку виробничихнебезпек, їх глибокому аналізі й терміновому прийнятті заходів для усуненняпотенційних небезпек ще до виникнення травмонебезпечних та катастрофічнихситуацій.
Найбільш небезпечними факторами, які можутьвпливати на етап роботи людини є електропроводи, трубопроводи гарячої водитощо. При експлуатації і ТО теплової помпи обслуговуючий персонал повиненбільше приділяти уваги цим вузлам.
На рис.6.1 та 6.2. показано деякі логічнімоделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій.
НУ1 → НУ2 → Т
Рис. 6.1. Модель травмонебезпечної ситуаціїз наслідком ураження обслуговуючого персоналу електричним струмом: НУ1 –небезпечна умова 1 – обрив захисного провідника; НУ2 – поява потенціалу наметалевому корпусі; Т – травма – ураження обслуговуючого персоналуелектрострумом.
НУ1 → НС1 → НС2 → НС3 →НС4 → А
↑ ↓
НД1 НС5 → Т
↑
НД2
Рис. 6.2. Модель травмонебезпечної тааварійної ситуації під час експлуатації компресора теплового насоса:
НУ1 – небезпечна умова 1 – зменшення рівнямасла через те, що вийшов з ладу підшипник-сальник; НС1 – небезпечна ситуація 1– вихід з ладу підшипників; НС2 – перекіс вала компресора; НС3 – перегрівпоршнів та шатунів; НС4 – розрив корпуса компресора; НС5 – витік холодоагенту;НД1 – небезпечна дія 1 – працівник несвоєчасно помітив несправність позовнішніх ознаках; НД2 – працюючий знаходився в небезпечній зоні; А – аварія; Т– травма.
Парові та водогрійні котли, компресори,теплові помпи є небезпечними установками, тому, що назовні виривається нагрітавода і пара. У зоні нагрітої атмосфери нагріта вода миттєво випаровується (1 лводи утворює майже 1700 л пари), утворюючи вибухову хвилю. Енергія вибуху прямозалежить від тиску в установці перед аварією і температурою води.
Основними причинами вибухів є: порушенняводного режиму установки; дефекти проектування, виготовлення та ремонтустановки; упускання води тощо.
Упускання води в установці може статисявнаслідок несправності контрольно-вимірювальної апаратури, порушення контролюобслуговуючим персоналом, несправності апаратури і пристроїв підживлення помпи таінші.
Порушення водного режиму може призвести довідкладання на внутрішніх стінках помпи тепло непровідного шару накипу з різнихсолей.
Солі кальцію Ca(HCO3)2 і магнію Ma(HCO3) всерединіутворюють шлам, як можна видаляти продувкою та промивання установки.
Сірчанокислий кальцій (CaSO4) на поверхняхвідкладається у вигляді міцного шару, який може призвести до їх перегрівання,утворення випучних, а іноді і до руйнування стінок установки.
Недоліки конструювання та виготовленняможуть викликати нерівномірність нагрівання окремих елементів установки. Цеспричиняє до температурних тріщин.
Вода і димові гази можуть викликатикорозію, яка знижує механічну міцність установки, що також може призвести доаварії.
У процесі експлуатації теплових помп можутьвиникати й інші причини аварійних ситуацій.
Досвід застосування помп свідчить, що такіустановки можна експлуатувати безпечно при дотриманні спеціальних правил івідповідних умов.
Правильно вибраний водний режим запобігаєутворенню накипу, шламу, виникненню корозії. Відповідно до водного режимувстановлюються норми якості води, режими продувки та графіки зупинки установкидля очищення. Важливим технічним заходом є видалення шламу, що досягаєтьсяперіодичним продуванням помпи. Цей захід проводять із дотриманням спеціальнихвимог безпеки.
Захист теплових помп від корозії (хімічноїй електрохімічної) здійснюють шляхом зниження агресивності середовища,підвищенням антикорозійної стійкості металу, ізоляції металевої поверхні відагресивного середовища та іншими способами.
Для забезпечення безаварійної роботи помпїх обладнують необхідною апаратурою і контрольно-вимірювальними приладами:автоматичною апаратурою контролю.
Проектування, випробування і експлуатаціятаких установок повинні відповідати вимогам Правил влаштування і безпечноїексплуатації посудин, що працюють під тиском.
Відповідно до Правил установки встановлюютьна відкритих майданчиках в місцях, де не буває скупчення людей, а також в окремихбудівлях. Допускається встановлення теплових помп у приміщеннях, що прилягають довиробничих будівель і мають капітальну стіну в інших приміщеннях передбаченихгалузевими правилами або за дозволом відповідного міністерства. Привстановленні установки необхідно передбачити можливість їх вільного огляду,ремонту і очищення.
Правилами передбачені спеціальні вимоги доконструкції теплової помпи. Вони мають бути надійними і безпечними вексплуатації, зручними при монтажі, ремонті, випробуваннях, технічних освідченняхтощо. При розробці конструкції установка розраховується на міцність відповіднодо існуючих стандартів і нормативно-технічної документації.
Електричне обладнання і заземлення тепловихпомп виконується відповідно до вимог ПУЕ.
Для живлення установки встановлюють неменше двох насосів.
Для обслуговування теплових помп допускаютьосіб не менше 18 років, що пройшли медичний огляд, склали іспити за спеціальноюпрограмою і одержали кваліфікаційне посвідчення.
Для встановлення справності і надійностіустаткування і його обладнання і можливості їх подальшої безпечної експлуатаціївиконують технічне освідчення. Технічне освідчення буває первинним, протягом якогоперевіряють розміщення теплової помпи і обладнання, а також їх відповідність вимогамзаводської (інструкції) документації з експлуатації, правильність включенняпомпи у відповідну мережу, стан приміщення котельні, наявність виробничихінструкцій та інструкцій з техніки безпеки, та періодичним, коли встановлюютьсправність і надійність помпи і обладнання для подальшої експлуатації.
Технічне освідчення включає такі операціїяк огляд (зовнішній та внутрішній) і випробування.
Операції, методи і періодичність технічнихосвідчень визначені підприємствами-виробниками, вони зазначені у паспортах таінструкціях з монтажу й безпечної експлуатації. Для проведення технічногоосвідчення установку зупиняють, охолоджують, звільняють від робочогосередовища, відключають від мережі відповідними заглушками, очищають. Результатитехнічних освідчень записують у паспорт, де зазначають також терміни наступногоосвідчення.
Дозвіл на експлуатацію установки, що непідлягає реєстрації, видає особа, призначена адміністрацією підприємства, напідставі документів заводу–виробника після технічного освідчення і перевіркиорганізації обслуговування установки.
Список літератури
1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение.- М.: Стройиздат, 1982.
2. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика,гидромашины и гидроприводы.- М.: Машиностроение, 1982.
3. Долгачев Ф.М., Лейко В.С. Основы гидравлики и гидропривода.-М.: Стройиздат, 1981.
4. Дурнов П.И. Насосы, вентиляторы, компресоры.- Киев-Одесса: Вища школа, 1985.
5. Исаев А.П., Сергеев Б.И., Дидур В.А. Гидравлика игидромеханизация сельскохозяйственных процесов.- М.: Агропромиздат, 1990.
6. Ерхов Н.С., Мисенов В.С., Ильин Н.И.Сельскохозяйственная мелиорация и водоснабжение.- М.: Колос, 1983.
7. Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский А.А.Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения.- М.: Высшая школа,1984.
8. Николадзе Г.И. Гидравлика, водоснабжение иканализация сельских пунктов.- М.: Стройиздат, 1982.
9. Оводов В.С. Сельскохозяйственное водоснабжение иобводнение.- М.: Колос, 1984.
10. СниП 2.04.02-84 “Водоснабжение. Наружные сети исооружения”.- М., 1985.
11. Справочник по механизации орошения под редакциейШтепы Б.Г.- М.: Колос,1979.
12. Синев Н.М. Бессальниковые водяные насосы.- М.:Атомиздат, 1972.
13. Тугай А.С., Терновец В.Е. Водоснабжение. Курсовоепроектирование.- Киев: Вища школа, 1980.
14. Усаковский В.М. Водоснабжение в сельскомхозяйстве.- М.: Колос, 1981.
15. Чугаев Р.Р. Гидравлика.- Л.: Энергия, 1982.
16. Штеренлихт Д.В. Гидравлика.- М.: Энергоатомиздат,1984.
17. Хохловкин Д.М. Глубинные насосы для водопонижения иводоснабжения.-М.: Недра, 1971.
18. Циклаури Д.С. Гидравлика, сельскохозяйственноеводоснабжение и гидросиловые установки.-М.: Стройиздат, 1970.
19. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред.Кисилева П.Г.-М.: Энергия, 1972.
20. Справочник по гидравлике / Под ред. БольшаковаВ.А.-К.: Вища школа, 1979.
21. Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка.-Львів: Світ,1994.
22. Рогалевич Ю.П. Гідравліка.-Київ: Вища школа, 1993.
23. Мельниченко Д.Ю., Лаврентьев М.В., Горелкін А.В.Гідравліка, гідросилові установки і основи сільськогосподарськоговодопостачання.-Київ: Урожай-1969.
24. Азарх Д.Н., Попова Д.Н., Монахова Л.П. Насосы.- М.:Машиностроительная литература- 1960.