різний
Теплові насоси, їх призначення та основні типи
Тепловий насос - являє собою пристрій, що дозволяє передати теплоту від більш холодного тепла до більш нагрітого за рахунок використання додаткової енергії (найчастіше - механічної). Застосування теплових насосів - один з важливих шляхів утилізації теплоти вторинних енергетичних ресурсів.
ня теплових насосів. Теплові насоси можуть використовувати не тільки теплоту, вироблену в різних технічних пристроях, так і теплоту природних джерел - повітря, води природних водойм, грунту.
Головне застосування теплових насосів в даний час - нагрів теплоносія для систем опалення, вентиляції та гарячого водопостачання будівель. Однак їх можна використовувати і для технологічних цілей.
Теплові насоси відрізняються перш за все способом, який застосовується для перетворення теплоти. Оскільки теплові насоси та холодильні установки мають однаковий принцип дії, то типи теплових насосів збігаються з типами холодильних установок. Застосовують парокомпресійні, газокомпрессіонние, сорбційні, пароежекторниє, термоелетріческіе теплові насоси. Інший важливий вид класифікації теплових насосів - тип джерела енергії, який використовується для перетворення теплоти. Це може бути електродвигун, газова турбіна, двигуни внутрішнього згоряння, механічна енергія струменя пари і т. Д. Часто теплові насоси розділяють за видом робочого агента (фреонові, аміачні, повітряні та ін.), І типу теплоносіїв, які віддають і сприймають теплоту (повітря -повітря, вода - повітря, вода-вода і т. д.).
Найбільшого поширення в даний час отримали парокомпресійні теплові насоси, що використовують в якості робочого агента один з фреонів або їх суміш. Їх так багато, що в літературі, якщо немає спеціальних застережень, під словом «тепловий насос» найчастіше мають на увазі саме паро - комперессіонний тепловий насос.
Принцип дії і основні характеристики теплових насосів
Також як і холодильні машини, теплові насоси відносять до трансформаторів тепла. Принципової різниці в роботі і в конструкції між ними не існує. Різниться лише призначення, і, температурний рівень одержуваної теплоти. Мета холодильної машини - отримання теплоти з температурою нижче рівня температури навколишнього середовища, т. Е. Виробництво холоду. Холод в парокомпрес - Сіон холодильній установці виходить у вигляді охолодженого теплоносія (розсоли, антифризи, повітря, вода) виходить з випарника. Мета теплового насоса - отримання теплоти, яка в разі парокомпрессионного теплового насоса виходить у вигляді нагрітого теплолносітеля (води, повітря), що виходить з конденсатора.
Основними характеристиками теплового насоса є - коефіцієнт перетворення (трансформації) тепла, термодинамічний ККД, питома вартість, т. Е. Вартість, віднесена до теплопроіз - водительности теплового насоса.
Принцип дії парокомпрессионного теплового насоса може бути проілюстрований за допомогою рис.23, на якому зображені його схема і термодинамічний цикл в діаграмі Ts ( «температура-ентропія»). Тепловий насос діє за рахунок підведеної в компресорі механічної роботи. Привід компресора може здійснюватися від електричного або теплового двигуна. У 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. Отримується при конденсації тепло передається споживачеві при температурі T2, наприклад, нагріваючи воду, який спрямовується в систему опалення. У дроселі відбувається розширення робочої речовини до тиску P1 з його частковим випаровуванням (процес 3-4). Далі, робоча речовина повністю перетворюється в пар при температурі T1 в випарнику, де відбирається теплота від її джерела, наприклад від нагрітого вентиляційного повітря або продуктів згоряння.
I - випарник, II - компресор, III - конденсатор, IV - дросель.
Коефіцієнт перетворення тепла являє собою відношення одержуваної теплової потужності до затрачуваної потужності на привід компресора. Він вище одиниці, і істотно залежить від температури холодного джерела теплоти T1 і температури одержуваного гарячого теплоносія T2. В результаті роботи теплового насоса ми можемо отримати приблизно в 2 - 8 разів більше теплоти, ніж в разі безпосереднього підігріву теплоносія в електрокалорифері.
T
Т2 - T
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 більш високого потенціалу - т. Е. Іншого температурного рівня. Коефіцієнт перетворення тепла не є коефіцієнтом корисної дії теплонасосної установки. Відомо, що якість виду енергії залежить те його здатності перетворюватися в інший вид енергії. Якщо механічна робота в ідеальному процесі може бути повністю перетворена в інший вид енергії, то теплота навіть в ідеальному процесі лише частково перетворюється в механічну роботу. Ступінь перетворення теплоти в роботу характеризується працездатністю або ексергією потоку теплоти і істотно залежить від температурного рівня потоку теплоти, а також від температури навколишнього середовища.
Термодинамічне досконалість теплового насоса визначається його ексергетичним ККД. Він може бути обчислений наступним чином:
Q • w ,,,,
Пе = -в ---------------------------------------------- ------------------------ (41)
N
Тут w - температурна функція або коефіцієнт працездатності теплоти, яка визначається як
W =
Як видно, ексергетичний ККД теплонасосної установки завжди менше одиниці.
Орієнтовна залежність коефіцієнта трансформації тепла від температури представлена на рис 24. Як видно, в разі малої різниці температур у випарнику і конденсаторі коефіцієнт трансформації може досягати великих значень. На практиці при сучасному рівні цін на обладнання та енергоносії рекомендують застосовувати теплові насоси з коефіцієнтом трансформації не нижче 2,5.
"П
0 -10 -20 -30 -40 to 0 -10 -20 -30 t0, оС
Рис.24. Залежність холодильного коефіцієнта (а) і ексергетичного ККД (б) від температур конденсації і випаровування.
Питома вартість теплових насосів, що випускаються в Росії за даними [9] для потужностей від 100 до 10000 кВт становить 6000-7000 рублів за кіловат встановленої теплової потужності (включаючи монтаж). Вартість теплових насосів, що випускаються зарубіжними фірмами трохи вище. Слід очікувати, що зі збільшенням числа вітчизняних виробників питома вартість теплових насосів буде знижуватися.
Характеристики теплового насоса багато в чому залежать від застосовуваного робочого речовини. На цій посаді найчастіше застосовуються різні фреони (хладони) - галогенопроїзводниє граничних вугіллі
відрядив. Використовуються такі фреони, як R-22, R134a, R-407C а також озонобезопасний фреон R- 142B. Застосування фреону R-22 дозволено Монреальської конвенції лише до 2005 року. Характеристики фреонів багато в чому визначають коефіцієнт перетворення тепла і отже, економічність теплового насоса. Теплофізичні і термодинамічні властивості фреонів можна знайти в [10].
Застосування теплових насосів для енергозбереження
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 направляється на охолодження в градирні та апарати повітряного охолодження (АВО);
♦ теплота стічних вод різних промислових підприємств і підприємств житлово - комунального господарства (лазні, пральні, басейни);
♦ теплота продуктів згоряння в котельних установках і промислових печах, а також печах зі спалювання твердих і рідких відходів;
♦ теплота продуктів згоряння в газотурбінних установках і дизельних двигунах;
♦ теплота водяної пари низького тиску, що викидаються в атмосферу (випарується);
♦ теплота відпрацьованого сушильного агента в сушильних установках;
♦ теплота гарячих розчинів ввипарних і ректифікаційних установках;
♦ теплота масла, використовуваного в турбінах електростанцій і в електричних трансформаторах;
♦ теплота повітря, що минає 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);
♦ вода природних і штучних водойм (річок, озер, морів);
♦ тепло геотермальних джерел;
♦ теплота ґрунту, яку отримують за допомогою спеціальних трубчастих теплообмінників;
♦ теплота підземних вод;
♦ тепло, одержуване в результаті використання сонячної енергії. Низькопотенційну теплоту вторинних енергетичних ресурсів можна використовувати безпосередньо за допомогою теплообмінних апаратів, наприклад, для підігріву припливного вентиляційного повітря, попереднього підігріву повітря, що направляється в топкові пристрої, підігріву сушильного агента в установках для сушки матеріалів і т. Д., Проте далеко не завжди це можливо на практиці. Теплота підвищеного потенціалу, що отримується в теплових насосах, має більш широкі області використання. Крім зазначених областей споживання вона може використовуватися також на опалення , Гаряче водопостачання, підігрів технологічних газів і рідин в апаратах хімічної технології, випарних, перегінних і ректифікаційних установках, в процесах варіння, при рекомпрессії пара. Найбільш доцільно застосовувати ТН в наступних випадках:
♦ є стабільний в часі джерело теплоти з температурою 10-50 ° С.
♦ є споживач теплоти з температурою 60 - 120 ° С. У багатьох випадках саме відсутність споживача теплоти ускладнює застосування теплових насосів.
♦ є джерело недорогий електричної енергії при дефіциті тепла.
♦ якщо різниця між температурами джерела і споживача - невелика. В цьому випадку тепловий насос має великий коефіцієнт перетворення.
♦ якщо джерелом теплоти є гаряча вода або конденсується пар або парогазова суміш. Ці теплоносії, на відміну від повітря, мають високий коефіцієнт тепловіддачі, що забезпечує малі габарити випарника теплового насоса.
♦ якщо необхідна одночасна вироблення тепла і холоду. Наприклад, охолодження молочних продуктів і опалення цеху.
♦ якщо в літню пору тепловий насос можна використовувати в системі кондиціонування, а в зимовий - в системі опалення.
Розглянемо деякі схеми, в яких можуть бути використані теплові насоси.
Пар від турбіни *
які підживлюють вода
1 ----------------------- Г
Вода в систему теплопостачання
Рис.25. Застосування теплового насоса для утилізації тепла оборотної водитепловой електростанції.
На рис.25 представлено використання теплового насоса для охолодження оборотної води, що охолоджує конденсатор парової турбіни теплової електростанції. Для охолодження оборотної води зазвичай застосовуються градирні. Температура води, що надходить з конденсатора у випарник теплового насоса може становити в залежності від сезону від 20 до 35 ° С, що дозволяє отримувати високий коефіцієнт перетворення і короткий термін окупності. Застосування теплового насоса дозволяє знизити витрати води, що надходить на підживлення системи водопостачання, поліпшити екологічну обстановку поблизу градирні. Зменшення температури води, що надходить в конденсатор за рахунок більш глибокого її охолодження дозволяє збільшити ККД станції.
повітря
Рис.26. Застосування теплового насоса для підігріву припливного повітря в системі вентиляції.
1, 2 - вентилятори, 3 - підігрівач повітря, 4 - тепловий насос, 5 - промислова будівля.
Часто джерелом для роботи теплового насоса є стічні води промислового підприємства. Зазвичай ці води крім розчинених або зважених домішок мають ще й високу температуру. Перед зливом в промислову каналізацію ці води повинні бути попередньо охолоджені, щоб не надати шкідливого впливу на систему біологічного очищення. Тепловий насос не тільки охолоджує стічні води, а й нагріває теплоносій для системи теплопостачання.
Застосування газотурбінних установок для вироблення електроенергії (рис.27) дає можливість використовувати теплові насоси як для охолодження йдуть продуктів згоряння (при цьому частина тепла доцільно використовувати в котлах-утилізаторах або рекуперативних теплообмінниках), так і для зниження температури теплоносія, що забезпечує проміжне охолодження ступенів компресора . Проміжне охолодження ступенів компресора збільшує ККД газотурбінної установки і суттєво зменшує викид в атмосферу оксидів азоту. Сама газотурбінна установка може служити як джерело електричної або механічної енергії для теплового насоса. газотурбінні уста-
На рис.26 представлено використання теплового насоса для утилізації тепла вентиляційних викидів промислового підприємства. Наявність шкідливих речовин, парів рідин або твердих частинок в вентиляційних викидах унеможливлюють 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 виявляється досить для підігріву води, що забезпечує роботу калориферів, що нагрівають припливне віз
Дух.
Ґґ
У систему теплопостачання
Рис.27. Застосування теплового насоса спільно з газотурбінної установкою.
1, 2 - ступені стиснення повітря в компресорі, 3 - проміжний водоповітряний теплообмінник, 4 - теплові насоси, 5 - камера згоряння, 6 - газова турбіна, 7 - котел -утілізатор.
Особливо слід розібрати випадки, коли застосування теплових насосів не виправдано.
1. Як джерело теплоти для роботи недоцільно застосовувати теплоту спеціально спалюваного для цих цілей палива, навіть у тому випадку, якщо це паливо є дуже дешевим. Температура димових газів і так достатня для того, щоб безпосередньо нагрівати теплоносій в котельної установки. При роботі ж теплового насоса, отримана споживачем теплота (без урахування втрат) буде дорівнює сумі отриманої теплоти від продуктів згоряння і роботи, що витрачається на привід компресора. В цьому випадку вона проводиться з ККД набагато нижче одиниці. Це зовсім не означає того, що теплота продуктів згоряння не може бути використана в теплових насосах, однак доцільно використовувати її в тих випадках, коли основна її частина вже витрачена на безпосереднє нагрівання теплоносія і продукти згоряння істотно охолоджені.
2. Джерелом теплоти для теплового насоса не слід брати «зворотний» воду систем теплопостачання, яка віддала теплоту в опалювальних приладах. Це пов'язано з тим, що вода із системи теплопостачання безпосередньо нагрівається за рахунок первинного палива і споживач теплоти несе подвійні витрати: він оплачує вартість палива і вартість електричної енергії на привід компресора.
3. При використанні в якості джерела теплоти повітря навколишнього середовища слід мати на увазі, що існує поріг температури кипіння робочого агента і відповідної температури зовнішнього повітря, коли робота теплового насоса стає неможливою. Значення цієї температури визначається типом застосовуваного робочого агента і тиском в випарнику теплового насоса. Таким чином, при низьких температурах повітря робота таких теплових насосів стає спочатку неекономічною (внаслідок зменшення коефіцієнта перетворення), а потім фізично неможливою.
Переваги теплових насосів широко відомі: це можливість істотної економії палива,
Екологічна чистота (при роботі теплових насосів не спалюється паливо), можливість працювати як
У централізовані ^ так і нецентралізованих системах теплопостачання та ін. Про недоліки теплових
Насосів згадують рідше, тому зупинимося на них докладніше.
1. Джерела вторинних енергоресурсів не завжди стабільні в часі і їх не тепловиробник - ність не завжди достатня для того щоб забезпечити теплотою споживача в зимній період року. Тому в системах теплопостачання для надійної роботи крім теплового насоса необхідне додаткове джерело теплоти.
2. Шум від компресорів теплових насосів ускладнює їх застосування в житлових та громадських будинках, особливо в тих випадках, коли застосовуються теплові насоси великої потужності.
3. Фреони, використовувані як робоче тіло, досить дороги. При розгерметизації контуру теплового насоса і при проведенні ремонтних робіт їх доводиться міняти і споживач несе додаткові витрати.
Новки широко застосовуються не тільки для вироблення електроенергії. Найчастіше їх використовують перекачування газу по магістральних газопроводах, однак застосування теплових насосів на газоперекачувальних агрегатах утруднено, оскільки вони зазвичай розташовуються далеко від споживачів теплоти.
4. На даний момент вартість теплових насосів висока і термін їх окупності при нинішніх цінах на енергоносії (близько 280 руб. За Гкал теплоти і 60 копійок за кВт / год електроенергії) може бути великим.
Масштаби і перспективи застосування теплових насосів в Росії і в світі
Широке застосування теплових насосів в світі почалася в 20-30-ті роки минулого століття. Перший тепловий насос для теплопостачання будівлі був випробуваний в Англії в 1930 році. Перша велика Теплон - сосна установка в Європі була введена в дію в Швейцарії в 1939 році. Вона використовувала теплоту річкової води і мала потужність 175 кВт.
Сильний поштовх до використання теплових насосів в системах опалення дав енергетична криза початку 70 років минулого століття, під час якого істотно збільшилися ціни на паливо. У 1993 році загальна кількість теплонасосних установок, що працюють в розвинених країнах перевищило 12 млн., А щорічний випуск становив понад 1 млн. В даний час тільки в Японії випускається 3 млн. Теплових насосів в рік і 1 млн. Насосів випускається в США. Правда, при цьому слід мати на увазі, що значну частину з них складають кондиціонери, які можуть працювати в режимі теплового насоса в перехідний період року. У переважній більшості випадків теплові насоси застосовуються спільно з додатковим нагрівачем (електричним або на органічному паливі), який компенсує недолік теплопроизводительности теплового насоса в холодний період або при тимчасовому відключенні джерела теплоти.
Багато держав дотують застосування теплових насосів, встановлюючи пільговий тариф на електроенергію для підприємств, які їх застосовують, або надаючи їм пільги по оподаткуванню. При цьому держава отримує певні вигоди: зменшується його залежність від зовнішніх поставок палива, поліпшується екологічна ситуація в країні, підтримуються вітчизняні виробники високотехнологічного обладнання.
За прогнозом Світового енергетичного комітету до 2020 року в передових країнах частка теплопостачання за допомогою теплових насосів складе до 75%.
За кордоном лідерами у виробництві теплових насосів є: «Carrier,« Lennox »,« Вестінгауз »,« Дженерал електрик »(США),« Hitachi »,« Daikin »(Японія),« Sulzer »(Швейцарія),« Klimatechnik »( Німеччина). Багато з них представлені і на російському ринку, в першу чергу як виробники місцевих кондиціонерів, спопсобних працювати в режимі теплового насоса в перехідний час року і теплових насосів малої теплопродуктивності (5-15 кВт), суміщених з вогневої системою опалення.
У Росії теплові насоси використовуються істотно менше, ніж у США, країнах Європи та Японії. Такий стан справ склався історично. Застосуванню теплових насосів в СРСР перешкоджали низькі ціни на паливо, а також орієнтація на централізоване теплопостачання. Більш холодний клімат нашої країни не дає можливості також широко, як на Заході використовувати природні джерела тепла і вимагає наявності додаткових котелень, які повинні працювати разом з тепловими насосами і забезпечувати споживача теплом при низьких температурах зовнішнього повітря.
В даний час, із зростанням цін на паливо, ситуація істотно змінюється. Сприяє застосуванню теплових насосів і зростання вартості будівництва ТЕЦ і котелень, прокладки та ремонту теплових мереж.
Наведемо приблизний розрахунок терміну окупності теплового насоса в умовах Росії. При цьому будемо брати до уваги капітальні витрати, витрати електричної енергії на привід компресора і вартість одержуваної теплової енергії. Витрати енергії на привід насосів, що прокачують теплоносій, витрати на обслуговування і ремонт теплового насоса, а також інфляцію враховувати не будемо. Вартість виготовлення та монтажу теплового насоса тепловою продуктивністю Q = 1000 кВт (або 0.859 Гкал / год) при вартості одного кіловата встановленої теплової потужності з урахуванням монтажу 6000 руб. за 1 кВт складе:
СК = 6000 • Q = 6,0 млн. Руб. (43)
Припустимо, що коефіцієнт перетворення тепла для умов роботи даного теплового насоса дорівнює 4.
Електрична потужність, що отримується за рахунок теплового насоса складе при цьому
1000
TOC \ o "1-3" \ h \ z N = ------- = 250 кВт. (44)
Є
При ціні 1 Гкал теплоти - 280 руб. за Гкал., вартість теплової енергії, одержуваної тепловим насосом за рік при безупинної цілорічної роботи складе
СТ = Q • 250 • 24 • 365 = 2,107 млн. Руб. / Рік. (45)
Приймемо ціну електричної енергії, що витрачається на привід компресора - 62 коп. за 1 Квт ч. і розрахуємо вартість електричної енергії, витраченої на роботи насоса за рік
СЕ = N • 0,62 • 24 • 365 = 1,358 млн. Руб. / Рік. (46)
Приблизний термін окупності в нашому випадку складе:
СК
Т = ------------- = 8,01 років. (47)
СТ - СЕ
Облік нічного тарифу на електроенергію призводить до зменшення загальних витрат на електричну енергію. Не враховано в розрахунку також інфляція і зростання вартості енергетичних ресурсів протягом терміну окупності.
При проведенні подібних розрахунків слід мати на увазі, що ціна на енергоресурси в Росії стає дедалі більше. Найближчим часом застосування насосів стане більш вигідним.
Найбільш відомий вітчизняний виробник теплових насосів - ТОВ «Енергія» Новосибірськ. кроме цього підприємства теплові насоси виробляють також заводи «Екомаш» м Саратов і «Компресор», м.Москва. Технічні характеристики теплових насосів, що випускаються ЗАТ «Енергія» (Новосибірськ), наведені в табл.1 [11].
Таблиця
Технічні характеристики теплових насосів, що випускаються ЗАТ «Енергія» (Новосибірськ)
Тип теплового насоса
НТ-500
НТ -1000
НТ-3000
Теплопродуктивність, кВт Вода джерела 12 С Вода джерела 25 С
455.3
685.4
905,2 1358
1810,5 2716,4
Потужність, кВт Вода джерела 12 С Вода джерела 25 С
149,7 161,4
297,3 315
596,4 630
Виконання
моноблочне
роздільне
роздільне
Габаритні розміри, мм Агрегату компресорного Агрегату випарно - конденсаторного
4100x2300x2400
4100x1740x2290
45200x1900x3000
3800x1560x2600
5550x1885x2930
Загальна маса, кг
9700
13000
24000
На закінчення слід зазначити, що застосування теплових насосів в Росії буде неминуче розширюватися як для цілей теплопостачання, так і в енергетиці та промислових технологіях з неминучим розширенням їх виробництва і наукових досліджень в цій області (розробка нових схем утилізації теплоти, способів інтенсифікації теплообміну, створення нових робочих тіл і т. д.).
З кожним роком стає все популярнішим здоровий стиль життя. Люди кидають курити, починають займатися спортом, підраховують калорії в продуктах, які вжили за день, контролюють зайву вагу. Існує ряд видів спорту ...
Технологія широкоформатного друку на увазі тиражування поліграфічної продукції великих параметрів на спеціальних "широких принтерах" і плоттерах. Завдяки застосуванню такого потужного сучасного обладнання можна отримувати відбитки різних форматів А1, А2, А3 і ...
Утеплення - важливий процес будь-якого ремонту будинку. адже саме від нього буде залежати довговічність конкретної стіни і фасаду в цілому. Сьогодні виробники пропонують найрізноманітніші матеріали для утеплення - мінеральна ...
