Использование тепловой энергии для производства холода в АБХМ (абсорбционно холодильные машины)

Назначение и виды абсорбционных холодильных машин. Области применения.

Энергия холода, наряду с электроэнергией и теплом, обеспечивает функционирование и жизнеобеспечение зданий и сооружений. Выработка холода при помощи электропотребляющих холодильных машин не всегда является экономически оправданным или даже реализуемым в условиях энергодефицита. Снижение потребляемой объектом электрической мощности является важной задачей, стоящей перед инженерами на этапе предпроектных проработок.

Абсорбционные холодильные машины (АБХМ), наряду с парокомпрессионными холодильными машинами(ПХМ) являются разновидностью чиллеров, поэтому для данных установок возможно транспортирование холода на большие расстояния (до 3 км), за счет использования в качестве хладоносителя воды. АБХМ представляет собой холодильную установку, работающую за счет тепловой, а не электрической энергии. Источником тепловой энергии может служить горячая вода, выхлопные газы, пар, природный газ и другие виды топлива.

Рис.1. Общий вид АБХМ Thermax

Отсутствие массивных движущихся элементов дает возможность существенно снизить шум, вибрацию и повысить надежность. Работа АБХМ не оказывает отрицательного воздействия на экологию, так как в ее составе отсутствуют хладогенты на основе хлорфторуглеродов (ХФУ) и гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ), разрушающих озоновый слой и создающих парниковый эффект.

 Полученный холод АБХМ может быть использован на предприятии в следующих целях:

• в системах централизованного кондиционирования;
• в технологических процессах;
• применение холода для сохранения пищевых продуктов;

Условия, при  которых целесообразно применение АБХМ:

• на объекте имеется потребность в энергии холода;
• объект оснащается автономной газовой котельной, или устанавливается автономная система производства электрической и тепловой мощности (системы когенерации);
• требуемая холодопроизводительность 500 кВт и более;

 Абсорбционные чиллеры выпускаются трех типов:

1. Чиллеры/нагреватели прямого нагрева. Источником тепла может быть природный газ, дизельное топливо, отходящие дымовые газы.
2. Чиллеры парового нагрева. Источник тепла — пар с температурой 100-200°С.
3. Чиллеры нагрева горячей водой. Источник тепла — горячая вода (например, избыточная горячая вода с температурой 75–95°С на входе/до 65°С на выходе).

Во всех случаях, выходная температура охлажденной воды не ниже +7°С.

 

Таблица 1. Сравнительная характеристика АБХМ и ПХМ

Абсорбционная холодильная машина (АБХМ)	Парокомпрессионная холодильная машина (ПХМ)
Электроэнергия расходуется только на перемещение сред – работу насосов и вентиляторов	Потребляет электроэнергию на реализацию холодильного цикла (работа компрессора)
Экологически более безопасны (хладагент — вода)	Экологически менее безопасны (присутствуют хладагенты, способствующие разрушению озонового слоя)
Низкий уровень шума и вибраций	Высокий уровень шума и вибраций
При утилизации избыточной тепловой энергии повышает коэффициент загрузки котельной (мини-ТЭЦ), снижая, таким образом, срок ее окупаемости	Не производит утилизации энергии от вторичных ресурсов
Высокая стоимость системы (более сложная конструкция)	Относительно не высокая стоимость системы

 

Принцип действия АБХМ

Принцип действия абсорбционной холодильной машины основан на определенных свойствах хладагента и абсорбента, которые обеспечивают отвод тепла, охлаждение и поддержание необходимого температурного режима.

Краткое описание принципа работы:

В результате нагрева разбавленного раствора бромистого лития (LiBr) в генераторе внешним источником, образуются пары воды (хладагента), которые при конденсации отдают тепло охлаждающей воде в конденсаторе, далее образовавшийся конденсат хладагента закипает в испарителе в условиях глубокого вакуума, поглощая при этом тепло от охлаждаемой воды, снижая ее температуру до +7°С — это и есть конечный продукт.

После испарения пары хладагента абсорбируются концентрированным раствором  LiBr  в смежном с испарителем абсорбере. Образовавшийся в результате абсорбции разбавленный раствор LiBr насосом подается в генератор и цикл повторяется (Рис. 2).

Рисунок 2. Схема работы АБХМ

Обоснование экономической целесообразности применения

Использование АБХМ целесообразно в местах с наличием больших пиковых нагрузок на сеть и наличием избыточного тепла.

Обосновать экономическую целесообразность применения АБХМ можно при сравнении затрат на покупку, монтаж и эксплуатацию данного оборудования с соответствующими  затратами на бытовые кондиционеры и водяные парокомпрессионные чиллеры.

Ниже приведен сравнительный расчет АБХМ (использующей тепло горячей воды)  с бытовыми кондиционерами и парокомпрессионными чиллерами, при условии работы оборудования 120 дней (период с повышенной плюсовой температурой) в году и 24 часа в сутки с загрузкой оборудования 75%.

 

Таблица 2. Затраты на приобретение, монтаж и электроэнергию

Тип оборудования	Бытовые кондиционеры	АБХМ	Водяной парокомпрессионный чиллер
Стоимость потребляемой электроэнергии, руб./кВт*ч	5,6	5,6	5,6
Потребляемая электрическая мощность единицы оборудования, кВт*ч	2	100	320
Кол-во единиц оборудования, шт.	493	2	2
Потребляемая электрическая мощность сети воздухораспределения, кВт*ч	—	100	100
Потребляемая электрическая мощность общая, кВт*ч	986	300	740
Стоимость оборудования, млн.руб.	17,255	43,5	32,1
Стоимость монтажа оборудования, млн.руб.	2,5	6,5	6,5
Затраты на электроэнергию в год, млн.руб. (с учетом работы оборудования 2880 ч. при нагрузке 75%)	11,93	3,63	8,95

 

Таблица 3. Суммарные затраты на  эксплуатацию оборудования

Тип оборудования	Бытовые кондиционеры	АБХМ	Водяной парокомпрессионный чиллер
Затраты в 1-ый год эксплуатации, руб.	31 681 656	53 628 800	47 527 840
Затраты в 2-ой год эксплуатации, руб.	43 608 312	57 257 600	56 478 880
Затраты в 3-ий год эксплуатации, руб.	55 534 968	60 886 400	65 429 920
Затраты в 4-ый год эксплуатации, руб.	67 461 624	64 515 200	74 380 960

 

Из таблицы №3 видно, что уже в четвертый год эксплуатации, общие затраты на приобретение, монтаж и потребление электроэнергии АБХМ станут меньше чем соответствующие затраты на кондиционеры; и на третий год эксплуатации затраты станут меньше чем соответствующие затраты на парокомпрессионные чиллеры.

Экономия электрической энергии при эксплуатации АБХМ в сравнении с кондиционерами (Z) и парокомпрессионными чиллерами (Z1) в год соответственно составит:

Z = Sэк — Sэа = 11 926 656 — 3 628 800 = 8 297 856 руб.

Z1 = Sэп — Sэа = 8 951 040 — 3 628 800 = 5 322 240 руб.

N — холодопроизводительность абсорбционной холодильной установки для энергоцентра мощностью 4 МВт — 3200 кВт (примем за потребное количество холода на производстве)

N1 — холодопроизводительность одного кондиционера  — 6,5 кВт.

Ниже приведен порядок расчета экономической эффективности установки АБХМ.

 

I. Расчет стоимости оборудования и монтажных работ

 Sа = 45 000 000 руб. (стоимость абсорбционной холодильной машины, мощностью 3200 кВт с монтажом) + 5 000 000 руб. (стоимость и монтаж вентиляционного оборудования и сети воздуховодов в местах кондиционирования) = 50 000 000 руб.

n = N / N1 = 3200 / 6.5 = 493 шт.

необходимое количество кондиционеров, для покрытия всей нагрузки по холоду;

 S1 = 35 000 руб. — стоимость одного кондиционера;

Sк = S1 * n = 35000 * 493 = 17 255 000 руб. (стоимость всех кондиционеров, необходимых для покрытия нагрузки) + 2 500 000 руб. (стоимость монтажа) = 19 755 000 руб.

Sп = 33 576 800 руб. (стоимость парокомпрессионной холодильной машины, мощностью 3200 кВт с монтажом) + 5 000 000 руб. (стоимость и монтаж вентиляционного оборудования и сети воздуховодов в местах кондиционирования)= 38 576 800 руб.

 

 II. Расчет электрической мощности оборудования

 P1 = 2 кВт (электрическая мощность, потребляемая одним кондиционером);

Pк = Pк1 * n = 493*2 = 986 кВт (общая электрическая мощность, потребляемая кондиционерами).

Pа = 200 кВт (общая электрическая мощность, потребляемая АБХМ) + 100 кВт (электрическая мощность, потребляемая вентиляторами на производственных площадях, непосредственно в местах кондиционирования, при общей площади кондиционирования 30 000 м2) = 300 кВт 

Pп = 640 кВт (общая электрическая мощность, потребляемая парокомпрессионными машинами)+100 кВт (электрическая мощность, потребляемая вентиляторами на производственных площадях, непосредственно в местах кондиционирования, при общей площади кондиционирования 30 000 м2) = 740 кВт

 

III. Расчет затрат на электроэнергию в год

Sэк = Pк * 2880 * 0,75 * С, где С-тариф электроэнергии (принимаем 5,6 руб. за 1 кВт),

Sэк = 986 * 2880 * 0,75 * 5,6 = 11 926 656 руб. –

затраты на электрическую энергию в год, при использовании кондиционеров (при условии работы оборудования 120 дней в году и 24 часа в сутки с загрузкой оборудования 75%)

Sэа = Pа * 2880 * 0,75 * С, где С-тариф электроэнергии (принимаем 5,6 руб. за 1 кВт),

Sэа = 300 * 2880 * 0,75 * 5,6 = 3 628 800 руб. –

затраты на электрическую энергию в год, при использовании АБХМ (при условии работы оборудования 120 дня в году и 24 часа в сутки с загрузкой оборудования 75% ).

 Sэп = Pп * 2880 * 0,75 * С, где С-тариф электроэнергии (принимаем 5,6 руб. за 1 кВт),

Sэп = 740 * 2880 * 0,75 * 5,6 = 8 951 040 руб. –

затраты на электрическую энергию в год, при использовании ПХМ (при условии работы оборудования 120 дней в году и 24 часа в сутки с загрузкой оборудования 75%).