Тепловой насос

Лабораторная работа. Цикл теплового насоса

Цель работы: Изучение цикла теплового насоса. Определение отопительного коэффициента (коэффициента преобразования) теплового насоса. Определение количества низкопотенциальной теплоты, отбираемой у окружающей среды. Определение количества теплоты, передаваемой в систему отопления помещения.

Используемое оборудование: учебный стенд «Модель теплового насоса», датчики температур, контроллер температуры жидкости, амперметр.

1.1 Общие сведения

Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса.

Тепловой насос − установка, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме теплоты, от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения.

Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,12,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.

Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40 С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15–18 млн. тепловых насосов различной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насосами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию 74 крупные (от 5 до 80 МВт) теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320 МВт, работающая на принципе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, использует и зимой морскую воду с температурой 4 С, охлаждая ее до 2 С. Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла, получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого тепло насосными установками в Швеции, составляет около 50 % от потребного.

Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение холодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин (1852 г.) предложил применить обратный цикл для целей отопления, используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту, отобранную от холодного источника (внешней среды) в горячий.

Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине (рисунок 1.1.). Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах тепловые насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

Цикл работы холодильного агрегата осуществляется в соответствии с простыми физическими законами. Рабочая среда в виде уже охлажденной жидкости циркулирует в замкнутом контуре и при этом последовательно испаряется, конденсируется, сжижается и расширяется.

Рисунок 1.1 – Контур теплового насоса:

А – Тепло окружающей среды, В – Компрессор, С – Подающая магистраль

отопительного контура, D – Обратная магистраль отопительного контура,

Е – Холодильный конденсатор, F – Расширительный клапан, G - Испаритель

Отбор тепла из окружающей среды. В испарителе находится жидкая рабочая среда (холодильный агент) при низком давлении. Уровень температур тепла окружающей среды на испарителе выше соответствующей давлению температуры кипения холодильного агента (агент подбирается таким, что может закипать даже при минусовой температуре). За счет этого перепада температур происходит передача тепла окружающей среды рабочей среде, которая при этом кипит и испаряется. Требуемое для этого тепло отбирается от источника тепла.

Повышение температуры в компрессоре. Парообразный холодильный агент постоянно отсасывается компрессором из испарителя и сжимается. При сжатии сильно повышаются давление и температура пара холодильного агента, может достигать 90-100°С и выше.

Отдача тепла системе отопления. Из компрессора парообразный холодильный агент попадает в конденсатор, омываемый и охлаждаемый теплоносителем. Температура теплоносителя ниже температуры конденсации холодильного агента, за счет чего пар охлаждается и сжижается (конденсируется). Поступившая в испарителе энергия (тепло) и дополнительно подведенная за счет работы компрессора электрическая энергия высвобождается в конденсаторе в результате конденсации и отдается теплоносителю.

Замкнутый цикл. Затем холодильный агент через расширительный клапан ТРВ подается обратно в испаритель. Давление холодильного агента снижается с высокого уровня в конденсаторе до низкого уровня в испарителе. При входе в испаритель снова обеспечиваются начальное давление и начальная температура. На этом цикл замыкается.

Теплогенерация.

Для рационального использования тепла окружающей среды в качестве источников тепла в распоряжении имеются грунт, вода и окружающий воздух. Все они накапливают солнечную энергию, в результате чего посредством этих источников тепла косвенно используется солнечная энергия.

Для практического использования этих источников тепла необходимо принять во внимание следующие критерии:

• достаточное наличие,

• как можно более высокая аккумулирующая способность,

• как можно более высокий уровень температур,

• достаточная регенерация,

• экономичное получение,

• низкие затраты на техническое обслуживание.

Термодинамическая эффективность теплового насоса определяется в целом коэффициентом преобразования (Coefficient of performance – COP).

Теоретический коэффициент преобразования (трансформации)

СОР_а = , (1.1.1)

где – температура выхода (нагревателя), К;

– температура входа (охладителя), К.

Коэффициент преобразования цикла Карно

СОР_карно = ; (1.1.2)

где – температура кипения, К;

– температура конденсации, К.

Теоретическая степень термодинамического совершенства

η_теор = . (1.1.3)

Действительный коэффициент преобразования

СОР_действ = , (1.1.4)

где – количество теплоты, полученное на конденсаторе, Дж;

– затраты энергии компрессором, Дж.

Действительная степень термодинамического совершенства

η_действ = , (1.1.5)

К преимуществам теплового насоса можно отнести:

- экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД (от 300% до 800%) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3–8 кВт тепловой энергии или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе;

- экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов — это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО₂ в атмосферу. Тепловые насосы установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низко потенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2–2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива;

- безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки;

- надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15–25 лет;

- комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный климатический контроль создают комфорт и уют в помещениях;

- гибкость. Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях;

- универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой);

- широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч киловатт).