Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Относительно простое сочетание выработки различных видов энергии возможно в установках, состоящих из газовых двигателей и вентиляторов. Такое сочетание применяется для различных сельскохозяйственных су­шилок. При очень небольших потерях на излучение

(примерно 10%) остальная часть отбросной теплоты (60 % энергии топлива) может быть использована для подогрева воздушного потока — к нему можно приме­шивать воздух, охлаждающий двигатель, и отработав­шие газы. Уже в наши дни эксплуатируются сушилки, использующие сжиженный газ для непосредственного подогрева воздуха без теплообменников. В соответствии с результатами новейших исследований и данными более ранних экспериментов [43] при использовании для не­посредственного подогрева воздуха котельного топлива, оцениваемого ниже, чем газ, можно не опасаться вред­ных воздействий на объект сушки при условии, что бу­дут приняты соответствующие меры предосторожности.

Таблица 14. Потребность в биогазе для привода вентилятора с помощью газового двигателя и возможности подогрева воздуха за счет отбросной теплоты Мощность Подача вентилятора, м3, ч при давлении Расход био- Возмо кный подогрев привода, кВт 43 Па га, за на при­вод, м3, ч воздуха за счет отбросной 63 Па теплоты, С 10 44 000 36 000 6,5 13,0 2,5.. 3,0 20 68 000 58 000 3,1.. 3,7 30 93 000 82 000 19,5 3,4.. 3,9 50 142 000 125 000 32,5 3,8.. 4,3

Данные о возможностях подогрева воздуха путем использования отбросной теплоты приводного двигателя и вентилятора можно взять из таблицы 14. Эти возмож­ности не очень велики даже при большой подаче воз­духа, но они соответствуют обычным для сушки сена значениям температуры 3…4°С. Следует отметить,’что таким способом биогаз можно использовать только в течение короткого отрезка времени (определяемого се­зонностью), правда, с очень высоким КПД. Вопрос о возможности использования газового теплового насоса, который мог бы найти себе применение в зимний период для отопления жилищ, нуждается в более подробном исследовании.

Объединенная выработка тепловой и механической энергии при испюлшо’ваиип тепловых насосов

Принцип действия теплового насоса известен очень давно. Он не производит теплоту, но поднимает содер­жащуюся в воздухе, воде и почве теплоту, а также са­мые различные формы отбросной теплоты на более вы­сокий температурный уровень, так что ее можно исполь­зовать снова. Для привода теплового насоса необходима механическая (компрессионный тепловой насос) или тепловая (абсорбционный тепловой насос) энергия. В обоих случаях можно использовать биогаз.

Устройству (рис. 26) и применению теплового насоса посвящены многочисленные работы [33, 96, 127, 128, 129]. Принципиально возможные способы его примене­ния в сельском хозяйстве подробно исследованы Ортом [81]. Применение теплового насоса тем целесообразнее, чем выше коэффициент трансформации е. Последний зависит от разности температур предварительного на­грева (конденсатор) и окружающей среды (испари­тель), уменьшаясь с увеличением этой разности, а также от конкретной системы теплового насоса.

В качестве средних значений коэффициента тран-

Рис. 27. Схема объединенной выработки тепловой и механической энергии при работе газового двигателя с тепловым насосом (Зуль- цир-Эшер Висс):

1 — конденсатор; 2 — компрессор; 3 — автоматическая регулировочная станция; 4 — испаритель для охлаждения воды; 5 — водяной насос испарителя; 6 — во­дяной насос конденсатора; 7 — газовый двигатель привода; 8 — котел-утилиза­тор; 9 — теплообменник: охлаждающая водагорячая вода; /0 — теплообмен­ник: охлаждающая вода — свежая вода; И — насос горячей воды.

сформации тепловых насосов є можно привести следую­щие:

Схема передачи тепла

Воздух — воздух……………………………………. 2,5

Воздух — вода……………………………………….. 2,5

Почва — вода………………………………………… 3,0

Вода — вода………………………………………….. 4,0

Отбросная теплота — вода. . . .До 6,0

Привод теплового насоса газовым двигателем бла­годаря возможности объединенной выработки тепловой и механической энергии, т. е. максимальной утилизации высокотемпературной отбросной теплоты двигателя, например в общем или раздельном цикле горячей воды (рис. 27), обеспечивает значительно лучшее использова­ние первичной энергии, чем в обычном отопительном котле или электротепловом насосе. Максимально воз­можная величина использования первичной энергии за­висит от достигнутого коэффициента трансформации. Бейер [12] приводит для теплового насоса, работающего по схеме передачи тепла «воздух—вода», такие значения полезно используемой тепловой энергии (табл. 15).

Таблица 15. Сравнительные балансы энергии для различных тепловых насосов, работающих по схеме «воздух — вода», % Первичная энергия Получен­ная полез­ная теп­лота Количе­ство пер­вичной энергии, необходи­мое для получения 100% по­лезной тепловой энергии Классический отопительный котел 100 75 133 (на газе) Электротепловой насос 100 97 103 Газокомпрессионный тепловой насос 100 179 56 Газоабсорбционный тепловой насос 100 120 83

Соответствующие схемы превращения энергии по­казаны на рисунке 28.

Газокомпрессионный тепловой насос при объединен­ной выработке тепловой и механической энергии дает наивысшую экономию первичной энергии. По сравнению с электротепловым насосом он обладает следующими основными преимуществами [12]:

— дополнительное получение теплоты, составляющей примерно 58% от теплоты двигателя;

— возможность конденсации при более низких темпера­турах и, как следствие, более высокие коэффициенты трансформации благодаря использованию отбросной теплоты;

— возможность экономичной работы без дополнитель­ного подогрева при наружной температуре воздуха ниже О °С;

— для получения того же количества полезно исполь­зуемой теплоты требуется менее мощный тепловой насос (как правило, на 30 …50%);

— при работе с обычным безопасным хладагентом R 22 можно достичь температуры горячей воды 55°С, что пригодно только для панельного отопления полов. При использовании теплоты двигателя эту температу­ру можно поднять до 90°С, что позволяет применять обычные радиаторы;

— бесступенчатое регулирование мощности путем из­менения частоты вращения вала двигателя в интер-

 

Таблица 16. Сравнение общих годовых затрат при различных способах отопления (Q0 —20 кВт, число часов работы в году 1800), марок ФРГ [96] Электротепловой насос 1 двухконтурный о о Отопление жи; топливом с о н о С> о к о п U одноконтурный параллель­ного действия поперемен­ного дейст­вия Газовый тепло насос Инвестиционные вложения в том числе стоимость аг- 12 000 5 000 17 000 11 200 8 200 15 700 8 200 15 000 регата стоимость строительных мл- 7 000 3 000 17 000 1 000 4 500 13 000 териалов 5 000 2 000 — 2 000 3 000 2 00 0 Капитальные затраты Затраты на эксплуатацию и тех- 1 226 469 2 533 1 487 1 992 2 100 кическое обслуживание 400 200 520 460 660 800 Стоимость энергии 1 744 1 970 2 260 2 230 1 340 1 00 0 Полные годовые затраты 3 370 2 639 5 313 4 177 3 992 3 900

вале 900… 1500 мин-1. Дополнительное регулирова­ние возможно путем изменения открытия клапанов компрессора, в результате чего можно плавно регу­лировать мощность от 100 до 15%. Электротепловой насос можно регулировать только ступенчатым пере­ключением, так как электродвигатели с плавным ре­гулированием частоты вращения (например, двига­тели с фазным ротором) значительно дороже и вызы­вают дополнительные трудности при подсоединении. Несмотря на большую экономию первичной энергии, газокомпрессионный тепловой насос может конкуриро­вать с другими отопительными системами лишь тогда, когда обеспечивается как его рентабельность, так и на­дежность в эксплуатации. На рентабельность сущест­венно влияет соотношение стоимостей энергии (напри­мер, электроэнергии, котельного топлива), а также пер­воначальные затраты. При возможном в будущем пере­ходе на серийный выпуск этого теплового насоса следует ожидать дополнительного снижения затрат. При теоре­тическом расчете затрат для потребности в энергии 20 кВт (табл. 16) наиболее благоприятным представ­ляется вариант с газовым тепловым насосом [96]. Не­сколько отпугивают от него, возможно, довольно высо­кие первоначальные затраты.

Газокомпрессионные тепловые насосы с мощностью привода 30 кВт и соответственно тепловой мощностью 450 … 650 МДж/ч (125… 175 кВт) с доработанными кон­структивно двигателями уже серийно выпускаются про­мышленностью: первые установки поступили в эксплуа­тацию. Полные годовые затраты на эти установки будут меньше, чем на обычные отопительные агрегаты (Бей­ер [12]). Опыт показывает, что поступившие в эксплуа­тацию в ФРГ газовые двигатели обладают высокой на­дежностью. Для некоторых из них фирмы-изготовители дают гарантии на несколько лет. Расход биогаза при работе на полной мощности должен составлять около 20 м3/ч.

В принципе газокомпрессионные тепловые насосы тепловой мощностью свыше 175 кВт (мощность привода 30 кВт соответствует 150 тыс. ккал/ч) при нынешнем уровне техники можно конструировать из обычных ком­понентов. Установки тепловой мощностью до 4000 кВт (мощность привода 700 кВт) уже находятся в эксплуа­тации [12, 88]. Однако необходимы новые конструк­тивные разработки, если предполагается использовать для отопления одноквартирных домов небольшие газо­вые тепловые насосы, которые должны быть также просты в эксплуатации, как традиционные системы отоп­ления, а по рентабельности превосходить их. В этом плане пока отсутствуют удовлетворительные техниче­ские решения (например, по таким параметрам, как бесшумность работы, отсутствие вибраций, компакт­ность, простая регулировка, легкость в обслуживании, надежность в эксплуатации). В настоящее время фирмы Рургаз, Ауди НСУ и Фольксваген при поддержке пра­вительства ФРГ ведут совместную работу по решению этих проблем [88], и можно ожидать, что в недалеком будущем им удастся найти ответы на поставленные воп­росы. Фирма Рургаз эксплуатирует газовые тепловые насосы (воздух—вода) на серийных лргковых автомо­билях (Поло, Пассат), где например, два цилиндра ис­пользуются для привода и два — в качестве компрессо­ров. Именно в сельском хозяйстве эти газовые тепловые насосы малой мощности могли бы найти себе приме­нение. Допустимо также использование газового тепло­вого насоса в системе рециркуляции воздуха сушилок для зерна и сена. Обычные зерновые сушилки порцион­ного и непрерывного действия имеют производительность

1.. .2 т/ч при установленной тепловой мощности 80… 160 кВт. При хорошей загрузке их можно использовать в течение 800 ч за летний сезон.

Объединенная выработка тепловой п механической энергии при производстве электроэнергии

При производстве электроэнергии из биогаза в элект­рической ток преобразуется лишь около 30% его энер­горесурса, а остальная часть представляет собой отброс­ную теплоту. 55…60% этого ресурса теоретически можно также использовать с помощью теплообменника и кот­ла-утилизатора, конечно, с соответствующими техниче­скими и финансовыми затратами. Средние значения финансовых затрат пока еще назвать нельзя. В таблице 13 приведены значения полезно используемой теплоты, которую можно дополнительно получить при эксплуата­ции электрогенераторов соответствующей мощности. Эту теплоту можно будет использовать в сельскохозяйствен­ном производстве для следующих целей:

— подогрева воды для бытовых нужд и содержания ско­та;

— отопления жилых помещений;

— подогрева воздуха для сушилок (см. Объединенное получение тепловой и механической энергии в уста­новках для привода вентиляторов) или создания нуж­ного микроклимата в животноводческих помеще­ниях;

— для создания необходимой температуры брожения в биогазовых реакторах;

— отопления теплиц.

Как правило, поголовье скота в течение года оста­ется постоянным, поэтому можно рассчитывать на пос­тоянное количество получаемых из биогаза электроэнер­гии и дополнительной теплоты. Однако проблема всегда состоит в том, чтобы рационально и равномерно исполь­зовать как электроэнергию, так и теплоту, причем тем в большей степени, чем меньше установка. Даже не­большое количество неутнлизированной энергии удоро­жает стоимость единицы полезно используемой энергии. В каждом конкретном случае предприятие должно иметь диаграмму предполагаемого выхода биогаза по меся­цам года и соответствующее распределение потребностей в электроэнергии и теплоте, на. базе которых составля­

ются рекомендации по утилизации получаемых в течение планируемого периода избытков энергии или покрытии возникающих за это же время дополнительных потреб­ностей в ней.

На рисунке 29 приведена соответствующая диаграм­ма для предприятия по очистке городских стоков [3] населенного пункта, насчитывающего 140 тыс. жителей (по общей массе стоков соответствует приблизительно 5 тыс. уел. гол. крупного рогатого скота). Как видно из рисунка, возможная выработка электроэнергии всегда выше, чем собственная потребность предприятия в ней. При этом выход теплоты в течение десяти месяцев года также превышает собственные потребности предприя­тия. Проведем сравнительный расчет затрат для трех вариантов.

A. Потребность в электроэнергии на 100% удовлетво­ряет энергоснабжающая организация; теплоснаб­жение обеспечивает отопительный котел, работаю­щий на выделяющемся при очистке стоков газе; из­лишек газа сжигается в факелах (~60%).

Б. Самообеспечение электроэнергией (1X660 кВт) при 100%-ном резервировании за счет энергоснабжающей организации; для выравнивания суточных колебаний в электроэнергии используется газгольдер; покрытие основных потребностей в теплоте за счет отбросной теплоты газовых двигателей, пиковых потребнос­тей— за счет отбросной теплоты котла-утнлизатора, работающего на бногазе; сжигание избытков газа в факелах (~20%).

B. Самообеспечение электроэнергией (3X330 кВт) при 50%-ном резервировании за счет энергоснабжающей организации; для выравнивания суточных колебаний используется газгольдер; покрытие основных потреб­ностей в теплоте за счет отбросной теплоты газовых двигателей, пиковых потребностей — за счет отброс­ной теплоты котла-утилизатора, сжигание избытков газа в факелах (~20%).

Расчеты показали, что по сравнению с другими ва­риант В дает снижение затрат на энергию примерно на 10%, однако общие годовые затраты уменьшаются толь­ко до 85 %. Дальнейшего снижения затрат можно было бы ожидать при подключении к коммунальным электро­сетям (параллельная эксплуатация) и подборе допол­нительных потребителей теплоты. В случае эксплуата-

к WOO кВт-ч заімес Месяцы Рис. 29. Годовые диаграммы производства электрической (вверху) и тепловой (внизу) энергии с помощью установки по очистке городских стоков [3]: / — собственная потребность в теплоте; 2—выход теплоты при произ­водстве электроэнергии; 3 — выход теплоты, соответствующий собствен­ной потребности в электроэнергии.

 

Теплота, у тили.

Рис. 30. Схема энергетического баланса компактной установки «То­тем» (Total energy module) автомобильной фирмы Фиат [138]. Циф­ры в скобках соответствуют тепловым эквивалентам энергии з кь-ал/ч.

цнн небольших бногазовых установок не следует рас­считывать на снижение затрат в таких масштабах.

Фирма Фиат разработала на базе двигателя «Фиат — 27» работающую на природном газе или биогазе ком­пактную теплосиловую установку «Тотем» [138], кото­рая вырабатывает электроэнергию (переменный ток напряжением 380 В, 15 кВт) и горячую воду (145МДж/ч, или 35 тыс. ккал/ч). Часовая потребность ее в биогазе составляет около 10 м3, что соответствует затратам в 0,113 долл. Те же самые электроэнергия и теплота, по­лученные первая от энергоснабжающей организации, вторая — из системы с отопительным котлом, стоили бы 0,2 долл. Разница в этих цифрах и соответствует эко­номии энергии.

На рисунке 30 представлена схема энергетического баланса этой компактной установки, которая имеет хорошие шансы на использование в сельском хозяйстве.

Комментарии запрещены.