Принцип дії та теоретичні основи енергозбереження при застосуванні теплових насосів

Тепловий насос - представляє собою пристрій, що дозволяє передати теплоту від більш холодного тіла до більш нагрітого за рахунок використання додаткової енергії (частіше всього - механічної). Застосування теплових насосів - один з важливих шляхів утилізації теплоти вторинних енергетичних ресурсів. Розпорядженням від 20.05.2009 № 609-р «Питання встановлення теплових насосів» Кабінет Міністрів України визначив перелік проектних пропозицій щодо першочергової установки теплових насосів, що дозволить на конкретних об'єктах перевірити доцільність і раціональні межі використання теплових насосів в різних кліматичних умовах, а також буде сприяти їх використанню в будівництві.

Відомо, що теплота низького потенціалу є продуктом технічної діяльності людини, причому, чим нижчий її температурний рівень, тим більше цієї теплоти безповоротно втрачається, розсіюючись в оточуючому середовищі. Прикладом носіїв такої теплоти може слугувати нагріте повітря, що викидається в атмосферу з систем вентиляції та кондиціонування, або теплі побутові та промислові стічні води, що мають температуру приблизно 20¸40 0С. Дуже часто єдиним економічно виправданим способом утилізації теплоти таких вторинних енергетичних ресурсів є застосування теплових насосів. Теплові насоси можуть використовувати не тільки теплоту, вироблену в різноманітних технічних пристроях, а й теплоту природних джерел - повітря, води природних водойм, ґрунту.

Головне застосування теплових насосів в даний час - нагрів теплоносія для систем опалення, вентиляції та гарячого водопостачання будівель. Однак, їх можна використовувати й для технологічних цілей.

Теплові насоси розрізняються перш за все способом, який застосовується для перетворення теплоти. Оскільки теплові насоси та холодильні установки мають однаковий принцип дії, то типи теплових насосів співпадають з типами холодильних установок. Застосовують парокомпресійні, газокомпресійні, сорбційні, пароежекторні, термоелектричні теплові насоси.

Інший важливий вид класифікації теплових насосів - тип джерела енергії, який використовується для перетворення теплоти. Це може бути електродвигун, газова турбіна, двигуни внутрішнього згорання, механічна енергія струменю пару і т. д. Часто теплові насоси розділяють за видом робочого агенту (фреонові, аміачні, повітряні та інші) та типу теплоносіїв, що віддають та сприймають теплоту (повітря-повітря, вода-повітря, вода-вода і т. д.).

Найбільше розповсюдження в даний час отримали парокомпресійні теплові насоси, що використовують в якості робочого агенту один з фреонів або їх суміш. Їх так багато, що в літературі, якщо немає спеціальних обмовок, під словом «тепловий насос» частіше всього мають на увазі саме парокомпресійний тепловий насос.

Так як і холодильні машини, теплові насоси відносять до трансформаторів тепла. Принципової різниці в роботі та в конструкції між ними не існує. Розрізняється лише призначення та температурний рівень отримуваної теплоти. Мета холодильної машини - отримання теплоти з температурою нижче рівня температури оточуючого середовища, тобто виробництво холоду. Холод в парокомпресійній холодильній установці отримується у вигляді охолодженого теплоносія (розсоли, антифризи, повітря, вода), що виходить з випарника. Мета теплового насосу - отримання теплоти, яка у випадку парокомпресійного теплового насосу отримується у вигляді нагрітого теплоносія (води, повітря), що виходить з конденсатора.

Принцип дії парокомпресійного теплового насоса може бути проілюстрований за допомогою рис. 1, на якому зображені його схема і термодинамічний цикл в діаграмі T-s («температура-ентропія»). Тепловий насос діє за рахунок підведеної в компресора механічної роботи. Привід компресора може здійснюватися від електричного або теплового двигуна. В компресорі (процес 1-2) підвищується тиск робочої речовини, що знаходиться в пароподібному стані від тиску P1 до тиску P2. Потім в конденсаторі (процес 2-3) при постійному тиску відбувається конденсація робочої речовини. Одержуване при конденсації тепло передається споживачу при температурі T2, наприклад, нагріваючи воду, спрямовану в систему опалення. В дроселі відбувається розширення робочої речовини до тиску P1 з її частковим випаровуванням (процес 3-4). Далі, робоча речовина повністю перетворюється на пару при температурі T1 у випарнику, де відбирається теплота від її джерела, наприклад від нагрітого вентиляційного повітря або продуктів згорання.

 Рис.1 - Схема парокомпресійного теплового насоса і його цикл в T-s - діаграмі:

I - випарник; II - компресор; III - конденсатор; IV - дросель

Основними характеристиками теплового насосу є - коефіцієнт перетворення (трансформації) тепла, термодинамічний ККД, питома вартість, тобто вартість, віднесена до теплопродуктивності теплового насосу.

Коефіцієнт перетворення тепла представляє собою відношення одержуваної теплової потужності до потужності, що витрачається, на привід компресора. Він вищий за одиницю, й істотно залежить від температури холодного джерела теплоти T1 і температури одержуваного гарячого теплоносія T2. В результаті роботи теплового насосу ми можемо одержати приблизно в 2÷8 разів більше теплоти, ніж у випадку безпосереднього підігріву теплоносія в електрокалорифері:

 

 

 

Для людей, не знайомих з роботою теплових насосів, ця обставина здається порушенням першого закону термодинаміки. Насправді - це не так. В даному випадку ми лише трансформуємо теплоту нижчого потенціалу в теплоту вищого потенціалу - тобто іншого температурного рівня. Коефіцієнт перетворення тепла не є коефіцієнтом корисної дії теплонасосної установки. Відомо, що якість виду енергії залежить від його здатності перетворюватися на інший вид енергії. Якщо механічна робота в ідеальному процесі може бути повністю перетворена на інший вид енергії, то теплота навіть в ідеальному процесі лише частково перетворюється на механічну роботу. Ступінь перетворення теплоти в роботу характеризується працездатністю або ексергією потоку теплоти й істотно залежить від температурного рівня потоку теплоти, а також від температури навколишнього середовища.

Питома вартість теплових насосів, представлених в Україні для потужностей від 1 до 350 кВт, складає від 200 до 1000 доларів за кіловат встановленої теплової потужності (включаючи монтаж). Варто очікувати, що з розширенням використання теплових насосів їх питома вартість буде зменшуватися.

Характеристики теплового насоса багато в чому залежать від робочої речовини, що застосовується. У якості робочої речовини найчастіше застосовуються різні фреони (хладони) - галогенопохідні граничних вуглеводнів. Використовуються такі фреони, як R134a, R-407C, а також озонобезпечний фреон R-142B. Застосування фреону R-22 дозволено Монреальською конвенцією лише до 2005 року. Характеристики фреонів багато в чому визначають коефіцієнт перетворення тепла і отже, економічність теплового насосу.

У промисловості і в житлово-комунальному господарстві як джерело теплоти для роботи теплових насосів можуть бути використані наступні види теплових вторинних енергетичних ресурсів:

  • теплота охолоджуючої води парових турбін теплових і атомних електростанцій, промислових печей, компресорних установок, апаратів хімічної технології. Часто ця вода використовується повторно і прямує на охолодження до градирень та апаратів повітряного охолодження (АПО);
  • теплота стічних вод різних промислових підприємств і підприємств житлово-комунального господарства (лазні, пральні, басейни);
  • теплота продуктів згорання в котельних установках і промислових печах, а також печах зі спалювання твердих і рідких відходів;
  • теплота продуктів згорання в газотурбінних установках і дизельних двигунах;
  • теплота водяної пари низького тиску, що викидається в атмосферу (випар);
  • теплота відпрацьованого сушильного агента в сушильних установках;
  • теплота гарячих розчинів у випарних і ректифікаційних установках;
  • теплота масла, що використовується в турбінах електростанцій і в електричних трансформаторах;
  • теплота повітря, що видаляється з систем вентиляції та кондиціонування повітря житлових, громадських і промислових будівель;
  • теплота витяжного повітря станцій метрополітену і повітря каналів метро.

Для роботи теплових насосів можуть бути використані також наступні природні джерела теплоти:

  • теплота зовнішнього повітря (при позитивних температурах і навіть до -10 оС);
  • вода природних і штучних водоймищ (річок, озер, морів);
  • тепло геотермальних джерел;
  • теплота ґрунту, яку отримують за допомогою спеціальних трубчастих теплообмінників;
  • теплота підземних вод;
  • тепло, що отримують в результаті використання сонячної енергії.

Низькопотенційну теплоту вторинних енергетичних ресурсів можна використовувати напряму за допомогою теплообмінних апаратів, наприклад, для підігріву вентиляційного припливного повітря, попереднього підігріву повітря, що спрямовується до топочних пристроїв, підігріву сушильного агенту в установках для сушки матеріалів і т.д., проте далеко не завжди це здійсненно на практиці.

На рис. 2 наведено використання теплового насоса для утилізації тепла вентиляційних викидів промислового підприємства. Наявність шкідливих речовин, випарів рідин чи твердих часток в вентиляційних викидах роблять неможливим застосування рециркуляції витяжного повітря. Використання теплового насоса в такій схемі дозволяє відмовитися від традиційного в таких випадках використання теплообмінників-утилізаторів. Теплоти, що виробляється насосом зазвичай достатньо для підігріву води, що забезпечує роботу калориферів, які нагрівають припливне повітря.

 

 Рис. 4.4.5 - Застосування теплового насоса для підігріву припливного повітря в системі вентиляції:

1, 2 - вентилятори; 3 - підігрівач повітря; 4 - тепловий насос; 5 - промислова будівля

За матеріалами ПМКЕУ "PATRIOT"

PATRIOT-NRG uses cookies to personalize content and your experience on our website. By continuing to browse this page, you agree to its use of cookies.
Read more I agree