Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения

    • быстрым снижением мощности и  производительности с падением наружной температуры;

    • относительно большой разностью  температур конденсации и испарения  в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;

    • энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование соответствующих вентиляторов.

    В условиях теплого и влажного климата  на поверхности испарителя в диапазоне  от 0 до 6 °С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение. Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.

    Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий  коэффициент производительности СОР  сокращается с увеличением частоты  размораживания. Применение специальной  системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может  существенно повысить общую эффективность.

    Еще один источник тепла в жилых и  торгово-административных сооружениях - отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло  из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или  теплого воздуха для отопления  помещений. В этом случае, однако, требуется  постоянное вентилирование в течение  всего отопительного сезона или  даже целого года, если предусмотрено  кондиционирование помещений в  летний период. Существуют аппараты, в  которых конструктивно изначально заложена возможность использования  и отводимого вентиляционного, и  наружного воздуха. В некоторых  случаях тепловые насосы, применяющие  отводимый воздух, используются в  комбинации с рекуператорами "воздух-воздух". Воздух как универсальный теплоноситель используется в больших установках круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать температуру кипения рабочего тела, вследствие этого уменьшается степень совершенства теплонаносной установки. Данные испытания таких установок, использующих воздух в качестве источника тепла, свидетельствуют о том, что средний коэффициент m за отопительный сезон не превышает 2 - 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.

    2.2. Вода.

    Наиболее  целесообразно применение отходов  теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме  того, используют также естественные горячие источники в курортных  местностях.

    Ввиду больших расходов употребление городской  воды неэкономично. Однако водные источники  из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру близкую  к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.

    Подпочвенные  воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.

    Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая  стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать  требования, порой весьма жесткие, местных  администраций в вопросах организации  сточных вод.

    Речная  и озерная вода с теоретической  точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток - чрезвычайно низкую температуру  в зимний период (она может приближаться к 0 °С). Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она  может замерзать на стенках испарителя. По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы  в целях предотвращения замораживания  испарителя.

    Морская вода представляется в некоторых  случаях отличным источником тепла  и используется в основном в средних  и крупных системах. На глубине  от 25 до 50 м морская вода имеет  постоянную температуру в диапазоне  от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем  с образованием льда не возникает, поскольку  точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом. Важно  лишь использовать теплообменники и  насосные агрегаты, стойкие к воздействию  коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера  в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.

    Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение  года температура. Основные ограничения  здесь могут составлять расстояние транспортировки и фактические  ресурсы, объем которых может  меняться. Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей  можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.  
 
 
 

    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.

    Рис. 1. Цикл теплового насоса в s - T-диаграмме.   

    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

    или

    j = E + 1

    Если  холодильная машина работает по теплофикационному  циклу, то для энергетической оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный, границей между которыми является температура  окружающей среды.

4. Примерная схема теплоснабжения с помощью теплового  насоса.

    Тепловые  насосы могут применятся 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.