Тепловые насосы

 

2.3. Грунт.

 

Грунт применяют в качестве естественного  источника тепла для зимнего  отопления и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в  грунт, причем выгодно используют его  зонную аккумулирующую способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности.

 

Тепловые насосы, использующие грунт  в качестве источника тепла, применяются  для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным  в землю горизонтально или  вертикально (спиралеобразно). Могут  использоваться:

 

системы прямого расширения с охлаждающей  жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного  в грунт;

 системы с рассольной жидкостью,  прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт. 

 В целом тепловые насосы  рассольного типа имеют более  низкую производительность по  сравнению с агрегатами первого  типа в силу происходящего  в них "двойного" теплообмена  (грунт - рассол, рассол - хладагент)  и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.

 

Тепловая емкость грунта варьируется  в зависимости от его влажности  и общих климатических условий  конкретной местности. В силу производимого  отбора тепла во время отопительного  сезона его температура понижается.

 

В условиях холодного климата большая  часть энергии извлекается в  форме латентного тепла, когда грунт  промерзает. В летний период под  действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям. Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку  здесь не задействовано радиогенное  тепло земли, содержащееся в глубинных  скальных породах.

 

Геотермическими (скальными) источниками  можно пользоваться в регионах, где  подпочвенных вод мало или нет  совсем. Тогда нужно пробурить  колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую  тепловую мощность, колодцы бурятся  под определенным наклоном таким  образом, чтобы добраться и упереться  в большой скальный массив. Для  таких тепловых насосов также  применяется рассольная жидкость и  пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В  некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования  тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых  работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Цикл теплового насоса

 

 

Теплообмен между рабочим телом  и источником высокой температуры  протекает при конечной разности температур необратимо. В результате такого теплообмена увеличивается  энтропия:

 

(Sd - Sc) - (S2 - S3) = delta S

 

Площадь под процессом 4 - 1, характеризующая  количество подведенного тепла к  рабочему телу, равна площади е - 4' - 5 - к, следовательно, процесс 5 - 4' характеризует убывание энтропии окружающей среды:

 

(S1 - S4) - (S5 - S4') = delta S1 > 0

 

Степень термодинамического совершенства этого цикла, как и в холодильном  цикле, характеризуется коэффициентом  обратимости. Для энергетической оценки цикла вводят коэффициент преобразования (трансформации)

 

j = Q / L

j = E + 1

 

4. Рабочие тела холодильных машин и их применение.

Под рабочим телом, или холодильным агентом, понимают физическое тело, с помощью которого совершается отдельный термодинамический процесс или цикл. От характеристики рабочего тела зависит конструкция холодильной машины и расход энергии, поэтому при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические, физико-химические и физиологические свойства. В настоящее время наиболее распространенными рабочими телами являются аммиак, фреон, вода и воздух.

     Фреоны - углеводороды, в которых водород полностью или частично заменен галоидами, чаще всего фтором и хлором. Для фреонов ввиду большого числа их установлены сокращенные обозначения. Соединения без атомов водорода записываются для производных метана цифрой 1 (после общего обозначения "фреон" или ф), к которой прибавляют цифру, указывающую число атомов фтора, например фреон-12 для CF2Cl2 и фреон-13 для CF3Cl. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, обозначающей число атомов фтора, ставят соответственно цифры 11, 21, 31, например фреон-113 для C2F3Cl3. При наличии атомов водорода у дериватов метана к первой цифре, а для этана, пропана и бутана соответственно ко второй цифре прибавляют число, равное числу водородных атомов: фреон-21 для CHFCl2, и фреон-22 для CHF2Cl, фреон-351 для C4H4FC5. При замене атомов хлора атомами брома (CF3Br) применяют обозначение фреон-13В1. Существуют и другие классификации фреонов по химическому составу.

     При внешних источниках с переменными температурами для уменьшения потерь в процессах теплообмена желательно иметь рабочие тела с переменными температурами кипения и конденсации. Такими свойствами обладают неазеотропные рабочие тела, представляющие собой смесь двух или нескольких веществ с различной зависимостью давления насыщения от температуры, например смесь фреона-11 и фреона-12.

 

Осуществление цикла теплового насоса в области температур выше окружающей среды вызывает повышение давления в системе. Поэтому рабочие тела для тепловых насосов выбирают таким образом, чтобы при высоких температурах конденсации обеспечивалось умеренное давление конденсации. Кроме того, рабочее тело должно обладать высоким значением объемной холодопроизводительности, а разность давлений конденсации и кипения не должна превышать допустимых пределов.

Рабочее тело не должно быть взрывоопасным и токсичным, особенно там, где тепловые насосы применяются для отопления общественных зданий.

В тепловых насосах с поршневыми компрессорами применяют фреон-12 и бромированный фреон Ф-12В1,который физиологически безвреден и не взрывоопасен. В турбокомпрессорных тепловых насосах большой теплопроизводительности применяют фреоны-11, 12 и 113. Наряду с чистыми рабочими телами применяют также и смеси рабочих тел, как например фреоны-142 и 142, 11и 12 и др.

Аммиак, фреон-12 и фреон-22 используются в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения до (- 30; - 40) °С. В настоящее время предпочтение отдается фреону-22, обладающему более высокой объемной холодопроизводительностью по сравнению с фреоном-12.

     Фреон-12 применяют при высоких температурах конденсации, например в тепловых насосах, так как при одной и той же температуре конденсации давление конденсации у него ниже, чем у фреона-22.

     Фреон-13 применяют для получения температур кипения до (- 80; - 100) °С. При этом для уменьшения необходимых потерь при дросселировании давление конденсации снижают за счет другой холодильной машины, работающей на рабочем теле среднего давления.

     Фреон-11 ввиду его малой объемной холодопроизводительности применяют в турбокомпрессорах относительно малой мощности.

     Неазеотропные смеси, в которых происходит интенсивное поглощение (адсорбция) пара одного компонента жидкой фазой другого компонента - абсорбента, применяют в абсорбционных холодильных машинах. Другие неазеотропные смеси, например смесь фреона-11 и фреона-12, используют в компрессионных холодильных машинах. В этих машинах применяют также азеотропные смеси 500 (73,8% по весу фреона-12 и 26,2% фреона-152а), 502 (48,8% фреона-22 и 51,2% фреона-115), 501 (75% фреона-22 и 25% фреона-12) и А1 (60% фреона-124 и 40% фреона-С318).

      Вода как рабочее тело используется в пароэжекторных холодильных машинах ,где можно сжать большие объемы пара. Воздух является рабочим телом в газовых холодильных машинах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Примерная схема теплоснабжения  с помощью теплового насоса.

 

Тепловые насосы могут применяться  для отопления зданий при круглогодичном кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических  нужд различных предприятий. Однако использование тепловых насосов  должно быть экономически обосновано.

Рис.2. Схема теплоснабжения с помощью  тепловых насосов.

 

Схема теплоснабжения с помощью  тепловых насосов показана на рисунке. Вода из отопительной установки направляется в сетевой насос СН и нагнетается  им для подогрева в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме и включенный последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1 вода нагревается от температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр. После этого вода направляется в конденсатор второй ступени К2, где нагревается до температуры t1. Далее вода входит в отопительную систему, отдает тепло обогреваемым помещениям и при температуре t2 вновь поступает в теплонаносную установку.

Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.

Режим работы теплонаносной машины определяется режимом работы отопительной системы. При повышении наружных температур отопительного сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток рабочего тела после компрессора КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д1.

При более низких температурах наружного  воздуха включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Для круглогодичного кондиционирования  в южных районах (отопление зимой, кондиционирование воздуха летом) распространение получают мелкие теплонаносные  автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов  и отдельных комнат. Эти установки  очень компактны и используют наружный воздух в качестве источника  низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию

 

 

6. Компрессор - элемент теплового насоса.

 

Компрессоры паровых холодильных  машин входят в состав герметически закрытой системы и предназначены  для отсасывания холодного агента из испарителя в целях поддержания  в последнем давления Ро, сжатия пара и выталкивания его в конденсатор при давлении Рк, необходимом для сжатия.

 

Производительность компрессора  характеризуется холодопроизводительностью машины и зависит от конструкции, режима работы холодильной машины и холодильного агента, на котором она работает.

 

 

7. Классификация компрессоров.

 

Гидравлической машиной называют устройство, преобразующее механическую работу в энергию потока жидкости и наоборот.

 

Турбиной или гидродвигателем называется гидравлическая машина, в которой в результате обмена энергией происходит преобразование механической энергии жидкости в механическую работу (вращение вала, возвратно-поступательное движение поршня и т.д.).

 

Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию жидкости. Основное назначение нагнетателя - повышение полного  давления перемещаемой среды.

 

Насос - устройство, служащее для напорного  перемещения (всасывания, нагнетания) главным образом капельной жидкости в результате сообщения ей энергии. Насосы в основном классифицируют по принципу действия и конструкции. В  этом смысле их подразделяют на объемные и динамические.

 

Компрессором называют воздуходувную  машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.

 

Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в  результате сжатия. В таких компрессорах среда перемещается путем периодического изменения объема камеры, попеременно  сообщающейся со входом и выходом компрессора. К ним относятся возвратно-поступательные (поршневые) и роторные (аксиально и радиально-поршневые, шиберные (пластинчатые), винтовые и т.п.) компрессоры.

 

К преимуществам объемных компрессоров относятся:

 

- возможность развивать напор  независимо от подачи;

- высокий КПД; 

- способность перекачивать жидкости  различных вязкости и температуры;

- возможность перекачивать жидкости, содержащие твердые взвеси;

- хорошая всасывающая способность; 

- отсутствие пенообразования.

 

 

 К недостаткам объемных компрессоров  относятся: 

 

- сложность конструкции; 

- сложная система регулирования  подачи;