Тепловые насосы

Оглавление.

1) Введение

2) Понятие холодильной машины  и теплового насоса, классификация  и область применения.

3) Источники низкопотенциальной тепловой энергии.

4) Цикл теплового насоса

5) Рабочие тела холодильных машин и их применение.

6) Примерная схема теплоснабжения с помощью теплового насоса.

7) Компрессор - элемент теплового  насоса.

8) Классификация компрессоров.

9) Требования к компрессорам

10) Область применения различных  насосов, нагнетателей и компрессоров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой  Термодинамический тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Основу эксплуатируемого сегодня  в мире парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии К тр, определяемого для идеального цикла Карно по следующей формуле:

 

 

=

 

где  — температуры соответственно на выходе и на входе насоса.

 

где: Т оut-температурный потенциал тепла, отводимого в систему отопления или теплоснабжения, К; Т іn -температурный потенциал источника тепла , К. Коэффициент трансформации теплового насоса, или теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ) Ктр представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителю, к энергии, затрачиваемой на работу теплонасосной системы теплоснабжения, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах Тоut и Тin, на единицу энергии, затраченной на привод ТН или ТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1 1), на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла. В [2] приведены зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации (К тр) теплонасосной системы теплоснабжения от температуры источника тепла низкого потенциала Тin и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления Тоut. При построении зависимостей, степень термодинамического совершенства ТСТ h была принята равной 0,55, а температурный напор (разница температур хладона и теплоносителя) в конденсаторе и в испарителе тепловых насосов был равен 7 °C. Эти значения степени термодинамического совершенства h и температурного напора между хладоном и теплоносителями системы отопления и теплосбора представляются близкими к действительности с точки зрения учета реальных параметров теплообменной аппаратуры (конденсатор и испаритель) тепловых насосов, а также сопутствующих затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов, систем автоматизации, запорной и управляющей арматуры. В общем случае степень термодинамического совершенства теплонасосных систем теплоснабжения h зависит от многих параметров, таких, как: мощность компрессора, качество производства комплектующих теплового насоса и необратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают: — потери тепловой энергии в соединительных трубопроводах; — потери на преодоление трения в компрессоре; — потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, а также с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов; — механические и электрические потери в двигателях и прочее. Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, то есть на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35 — 55 °C. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 % . Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

Типы тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы

подразделяются на компрессионные и абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся

в действие с помощью механической энергии 

(электроэнергии), в то время  как абсорбционные 

тепловые насосы могут также                            Схема компрессионного теплового насоса.

                                                                                                              1) конденсатор, 2) дроссель,

                                         3) испаритель, 4) компрессор.

 

использовать тепло в качестве источника 

энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В зависимости от источника отбора тепла 

тепловые насосы подразделяются на:

Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых  вод)

 

а) замкнутого типа

 

 Горизонтальный геотермальный  тепловой насос

горизонтальные 

 Горизонтальный геотермальный  тепловой насос

 

Коллектор размещается кольцами или  извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более). Такой  способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

вертикальные

 

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

водные

 

Коллектор размещается извилисто  либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это  наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объему воды в водоеме для конкретного  региона.

 б) открытого типа

Подобная система использует в  качестве теплообменной жидкости воду,

циркулирующую непосредственно через  систему геотермального теплового

насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе

возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь

при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии,

что такой способ использования  грунтовых вод не запрещен законодательством.

Воздушные (источником отбора тепла является воздух)

 

Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант  является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

 

По виду теплоносителя во входном  и выходном контурах насосы делят  на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

 

 

Типы промышленных моделей

 

Тепловой насос «солевой раствор  — вода»

По виду теплоносителя во входном  и выходном контурах

Насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода»,

«воздух—вода»,«грунт—воздух», «вода—воздух»,

«воздух—воздух». Почти все вновь  выходящие на рынок

 устройства используют тепло  выпускаемого 

из помещения воздуха.

Также фильтруют и увлажняют  при необходимости

всасываемый извне воздух.                  

                      Тепловой насос             «солевой раствор» - вода

Преимущества и недостатки

 

К преимуществам тепловых насосов  в первую очередь следует отнести  экономичность: для передачи в систему  отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

 

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим  кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы "холодный потолок".

 

Тепловой насос надежен, его  работой управляет автоматика. В  процессе эксплуатации система не нуждается  в специальном обслуживании, возможные  манипуляции не требуют особых навыков  и описаны в инструкции.

 

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для  каждого потребителя, который заключается  в оптимальном выборе стабильного  источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

 

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

 

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином  в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.

 

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести  большую стоимость установленного оборудования.

 

Перспективы

 

Для установки теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа  системы составляет $300–1200 на 1 кВт  необходимой мощности отопления. Время  окупаемости теплонасосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта[источник не указан 437 дней].

 

Существует и альтернативный взгляд на экономическую целесообразность установки теплонасосов. Так, если установка теплонасоса производится на средства взятые в кредит, экономия от использования теплонасоса может быть меньше, чем стоимость использования кредита. Поэтому массовое использования теплонасосов в частном секторе можно ожидать, если стоимость теплонасосного оборудования будет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети.

 

Ещё более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный  источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных  вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность  нагретой воды).

 

Другим возможным применением  теплового насоса может стать  его комбинирование с существующими  системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может  подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется  тепловым насосом в тепло с  потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.=

 

 

Над созданием первых холодильных  машин работали многие изобретатели, инженеры и ученые. Английский физик и химик Бойль и немецкий физик Герике в конце XVII в. установили, что вода в разряженном пространстве испаряется при низких температурах. В 1777 г. Нерн показал, что в условиях вакуума вода замерзает, если удалять образующиеся водяные пары (пары поглощались серной кислотой). Эти открытия помогли англичанину Лесли построить в 1810 г. первую искусственную ледоделку.

 Практическое применение холодильные  машины нашли только тогда,  когда вместо воды были найдены  более эффективные рабочие тела. В 1834 г. английский врач Перкинс построил холодильную машину, работающую на этиловом эфире. Применение этилового эфира позволило получить низкие температуры при давлениях кипения более высоких, чем при использовании воды. Машину Перкинса можно считать прообразом современной компрессионной холодильной машины, так как в нее входили все наиболее характерные для этих машин элементы: сосуд, где вследствие подвода тепла от внешней среды кипел эфир при низкой температуре, насос (компрессор), снимающий и направляющий пары эфира в змеевик, в котором при более высоком давлении и более высокой температуре происходила их конденсация. Сконденсировавшийся жидкий эфир через специальный дроссельный вентиль вновь направлялся в сосуд (испаритель), где кипел при низкой температуре. В 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфире. В 1872 г. Бой-лю был выдан патент на аммиачную холодильную машину. В 1881 г. Линде одновременно с Видхаузеном построил углекислотную машину. В 1845 г. американец Горри изобрел газовую - воздушную холодильную машину, работа которой была основана на том, что предварительно сжатый и охлажденный за счет окружающей среды воздух расширялся в специальной машине - детандере; при этом температура воздуха понижалась.

 Несколько позже появились  абсорбционные холодильные машины. В 1862 г. Карре предложил абсорбционную холодильную машину, основанную на поглощении пара аммиака слабым водоаммиачным раствором с последующим выпариванием аммиака из раствора при помощи источника тепла высокой температуры (горячие газы, пар и др.). В 1884 г. был запатентован принцип пароэжекторной холодильной машины: образовавшийся при низкой температуре пар отсасывается и сжимается за счет энергии струи пара того же вещества. Первая пароэжекторная холодильная машина была сконструирована Лебланом в 1910 г. Абсорбционная и пароэжекторная машины относятся к теплоиспользующим машинам.

 Пельтье в 1834 г. открыл. Что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Дальнейшему развитию термоэлектрических холодильных машин в значительной степени способствовали работы академика А. Ф. Иоффе и других ученых и конструкторов.

 Холодильные машины применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве для замораживания и хранения пищевых продуктов, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетических волокон, каучука, спирта и т. д.; для кондиционирования воздуха в цехах промышленных предприятий, в общественных и административных зданиях, в бытовых помещениях и т. д.; в горной промышленности при проходке неустойчивых грунтов; в рефрижераторном транспорте; в металлургической промышленности для термической обработки сталей и т. д.; в радиотехнике; при испытаниях промышленных изделий и во многих других случаях.

 В настоящее время преимущественно  используются холодильные машины  компрессионного типа. При наличии  дешевых источников тепла высокой  температуры применяют теплоизолирующие  машины. Термоэлектрические холодильные  машины находят применение в  радиотехнике и в ряде специальных  приборов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие холодильной  машины и теплового насоса, классификация  и область применения.

 

Обычно холодильная машина переносит  тело от источника, температура которого ниже окружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, - воде или воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или  поддержания низких температур в  определенном объеме - холодильной  камере.

 При помощи холодильной машины  тепло можно перенести и к  источнику, температура которого  значительно выше окружающей  среды. Это тепло можно полезно  использовать, например, для отопления.  В этом случае холодильную  машину принято называть тепловым  насосом.