Абрамов М.В.
Магистрант кафедры ТГВиГ,
Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
ТЕПЛОВОЙ НАСОС КАК ИНЖЕНЕРНАЯ СИСТЕМА
Аннотация
В данной статье объектом исследования является тепловой насос. Приводится принцип действия теплового насоса, функционирования всей системы, критерий, определяющий приемлемость использования данной технологи. Приводятся достоинства и недостатки тепловых насосов различного типа.
Ключевые слова: тепловой насос, низкотемпературный источник теплоты, грунт, вода, воздух, энергия
Keywords: Heat pump, low temperature heat source, soil, water, air, energy
Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.
Принципом работы холодильных машин и ТН является механическая рекомпрессия пара (МРП). Сущность механической рекомпрессии пара заключается в том, что отработанный в технологическом процессе пар выводится (дожимается) посредством парокомпрессора на более высокий температурный, а значит энергетический уровень, и затем возвращается обратно в техпроцесс в качестве свежего нагревающего пара. Энергия пара при этом не теряется, необходимо лишь дополнительно подвести энергию, требуемую для повышения температуры. Энергозатраты при этом составляют 5…10% от энергии, возвращаемой таким способом.
Критерием, определяющим приемлемость использования МРП является коэффициент преобразования (coefficient of performance), который определяется как отношение теплопроизводительности сжатого компрессором пара к мощности, потребляемой компрессором.
- энергия, отдаваемая потребителю (теплопроизводительность), кВт;
- затраченная электроэнергия, мощность компрессора, кВт.
Реализуемая в тепловых насосах технология МРП относится к НДТ, применяемым для утилизации низкопотенциального тепла (характеризующегося низкой температурой) и преобразования его в высокопотенциальное. Тепловой насос способен «перекачивать» тепло от искусственных источников на предприятии (технологических процессов), а также искусственных или естественных источников в окружающей среде (воздуха, грунта, воды). Полученное таким образом тепло может использоваться в бытовых, коммерческих или промышленных целях. Однако, наиболее распространенным применением принципа теплового насоса являются разнообразные системы охлаждения, холодильники и т.п. В таких системах тепло «перекачивается» в обратном направлении – от охлаждаемой среды в окружающую среду. В некоторых случаях отводимое при этом тепло может использоваться для удовлетворения каких-либо потребностей в тепловой энергии. Тепловые насосы используются в процессах когенерации и тригенерации.
Функционирование теплового насоса – «перекачка» тепла от источника к потребителю – требует внешнего источника энергии. В качестве такого источника может выступать привод любого типа – электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания или турбина для компрессионных ТН – или, в случае сорбционного ТН – внешний источник тепла.
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 использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).
Компрессионный тепловой насос является наиболее распространенным типом теплового насоса. Он применяется, например, в холодильниках, кондиционерах, промышленных системах охлаждения, осушителях, а также системах отопления, использующих тепло окружающей среды – пород, грунта, воды или воздуха. Как правило, компрессионный тепловой насос приводится в действие электродвигателем, однако в крупных промышленных системах в качестве приводов могут использоваться паровые турбины.
Компрессионный ТН работает по принципу обратного цикла Карно, состоящего из четырех стадий – испарения, сжатия, конденсации и расширения – образующих замкнутый цикл.
Принцип работы ТН: в испарителе циркулирующий жидкий теплоноситель (хладагент) испаряется при низком давлении и низкой температуре, отбирая тепло у источника. Затем температура и давление хладагента повышаются в компрессоре, после чего он конденсируется и охлаждается в конденсаторе, отдавая тепло в контур системы отопления потребителя. После этого хладагент проходит через дроссель, его давление падает, и он вновь поступает в испаритель, замыкая цикл. В итоге потенциал низкотемпературного источника тепла повышается, что позволяет использовать его в другом технологическом процессе или системе.
Тепловые насосы в настоящее время широко применяются для отопления отдельных зданий. Здесь для работы теплового насоса могут быть использованы низкопотенциальное тепло природных источников:
- тепло воды естественных и искусственных водоемов (рек, озер, прудов, морей, подземных вод) – наиболее экономически выгодный источник НПТ; проблема в том, чтобы такой источник был поблизости, а в скважине был достаточный дебет;
- теплота наружного воздуха при положительных температурах – наименее удобный источник НПТ; проблема – неэффективно работает или не работает при низких температурах; есть интересные варианты применения – для нагрева бассейнов;
- теплота грунта – самый распространенный источник НПТ.
Тепловые насосы, использующие теплоту грунта называют геотермальными. Геотермальные тепловые насосы по виду теплоносителя входного и выходного контуров подразделяют на три типа: «грунт-вода», «вода-вода» и «вода-воздух».
При использовании теплонасосных установок «вода-вода» и «вода-воздух» используется тепло грунтовых вод, что значительно усложняет применение и использование данной технологии, так же сказывается на стоимости.
Тепловые насосы воздушного типа по виду теплоносителя входного и выходного контуров подразделяют на два типа: «воздух-воздух» и «воздух-вода».
Система «воздух-воздух» состоит из двух блоков – внутреннего и наружного. Наружный блок, так же именуемый испарительным блоком, размещается снаружи здания. Благодаря ему производится отбор тепла от наружного воздуха. Затем отобранное тепло нагревает циркулирующий в системе хладагент, который вскипает, переходя в газообразное состояние. Затем компрессор сжимает этот газ, значительно повышая его температуру. Тепло сжатого газа передаётся на внутренний блок (он же конденсатор), который находится внутри отапливаемого помещения. Конденсатор передает тепло воздуху, который находится внутри помещения. Этот процесс непрерывен до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура в помещении.
При необходимости в обогреве нескольких помещений используются различные системы распределения и подачи тёплого воздуха.
В связи с тем, что тепловые насосы типа воздух-воздух нагревают лишь воздух непосредственно в помещениях (прямой нагрев воздуха), то применение ТН такого типа возможно только для отопления помещений. Следовательно, для нагрева воды для хозяйственно-бытовых нужд требуется предусмотреть «свой» теплогенератор.
Тепловые насосы типа «воздух-вода» аналогичны устройствам типа «воздух-воздух», за исключением способа отопления помещения. Данные установки имеют схожие достоинства и недостатки.
Так же выделяют ТН использующие вторичное тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления или канализационных стоков). Применение подобного варианта является наиболее целесообразным для промышленных зданий и сооружений, где имеются источники «паразитного тепла», которое, в свою очередь, требует утилизации.
Абсорбционный тепловой насос – холодильная установка, которая предназначена для отбора и удаления избыточного тепла и поддержания заданного оптимального температурного и теплового режимов при работе различного рода производственного оборудования, технологических устройств, инструмента, оснастки, а также технологических процессов, связанных с повышенными тепловыми нагрузками. В качестве абсорбента в них используются различные растворы, например, бромида лития (LiBr) в воде.
В теплонасосных установках абсорбционного типа происходит сжатие рабочего тела и тепла сгорания жидкого или газового топлива. Так как абсорбционные ТН имеют малое количество подвижных элементов, они отличаются высоким ресурсом работы.
Литература
- Справочник промышленного оборудования. Информационно – методическое издание, 2004г.
- Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно – методическое издание. — М.: Издательство «Перо», 2016 г.