Тепловые насосы

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: «Тепловые насосы»

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                     Выполнил студент группы ЭП-31

                                                                                      Сынков Д. И.

                                                                                      Принял преподаватель

                                                                                      Шапоров В. В.

 

 

 

Гомель 2014 г.

Тепловые насосы

 

Тепловой насос, устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой (чаще всего — окружающей среды) к теплоприёмнику с высокой температурой. Для работы Теплового насоса необходима затрата внешней энергии (например, механической, электрической, химической). Процессы, происходящие в Тепловом насосе, подобны процессам, осуществляемым рабочим телом в холодильной машине, с той разницей, что назначение холодильной машины — производство холода, а Теплового насоса — производство теплоты. Рабочим телом в Тепловом насосе обычно является жидкость с низкой температурой кипения (например, фреон, аммиак). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Теплоприёмник Теплового насоса получает, кроме теплоты, эквивалентной совершаемой внешней работе, теплоту, перенесённую от теплоотдатчика, например речной воды; следовательно, коэффициент преобразования энергии в Тепловом насосе всегда больше единицы и такой процесс более выгоден, чем непосредственное превращение электрической, механической или химической энергии в теплоту. Иногда Тепловые насосы применяется для отопления в районах с жарким климатом, так как в летний период эта же установка охлаждает подаваемый в здание воздух. Тепловой насос получил широкое распространение во время 2-й мировой войны 1939—45 в связи с топливными затруднениями, особенно в странах, где имеется в избытке дешёвая электрическая энергия гидростанций (например, в Швейцарии, Швеции, Норвегии и др.). 
 
История возникновения теплового насоса 
 
Концепция тепловых насосов была разработана еще в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году[4] . Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер экспериментировал с морозильной камерой[5] . Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь. 
 
 
 
В 40-х годах тепловой насос был известен своей чрезвычайной эффективностью, но реальная потребность в нём возникла во время Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению. Именно тогда доктор Джеймс Бозе, профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь собственникам домов, чьи тепловые насосы сбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо слива в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем. Доктор Бозе вернулся в Университет и начал развивать свою идею. С того времени Университет штата Оклахома стал центром исследования и развития геотермальных тепловых насосов. Международная Ассоциация геотермальных тепловых насосов была основана в Оклахоме и располагается в корпусе государственного Университета штата Оклахома, в которой доктор Бозе является исполнительным директором.

 

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.

По виду затрачиваемой энергии холодильные машины разделяют на компрессионные, теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию.

В машинах первых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого рабочим телом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). В термоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потока электронов на атомы.

В зависимости от свойств и агрегатного состояния рабочих тел, при помощи которых осуществляются процессы, холодильные машины делятся на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего тела не изменяется.

В холодильной машине обратный круговой процесс, совершаемый за счет механической энергии, полученной в прямом цикле, может осуществляться в различных условиях.

Машина работает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температуры переносится к окружающей среде. В этом случае она служит для охлаждения или поддержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающей среды к источнику с более высокой температурой холодильная машина работает как тепловой насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится от источника низкой температуры к источнику с температурой выше окружающей среды, машина работает по теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения.

Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);

• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);

• наружный воздух.

В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

• удаляемый вентиляционный воздух;

• канализационные стоки (сточные воды);

• промышленные сбросы;

• тепло технологических процессов;

• бытовые тепловыделения.

Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:

• тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;

• интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.

Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.

В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий - от 5 до 70 кВт.

По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.

 

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

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.

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.