2.5.4. Тепловые насосы

Тепловые насосы часто называют «повышающими термотранс­форматорами», которые используют теплоту низкого потенциала для теплоснабжения при более высокой температуре. Их подраз-

284

деляют на компрессионные и термоэлектрические (полупровод­никовые).

Компрессионный тепловой насос. Он имеет то же оборудование, что и компрессионная холодильная установка. Холодильная ма­шина отбирает теплоту из ограниченного пространства (охлаждае­мой камеры), в котором требуется создать и поддерживать низкую температуру, и передает ее окружающей среде или воде, охлажда­ющей конденсатор, а тепловой насос отбирает теплоту из окружа­ющей среды (воздуха, воды, почвы и т. п.) и передает ее в ограни­ченное пространство (отапливаемое помещение).

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса по­казана на рисунке 2.43. В испарителе 2 хладагент (хладон-12 или аммиак) испаряется при низкой температуре, отбирая при этом теплоту от низкопотенциального источника (в данном случае от во^ы реки или озера). Компрессор 3 отсасывает из испарителя па­ры хладагента, сжимает их до определенного давления и темпера­туры. Сжатые парыпоступают в конденсатор 4, конденсируются и отдают теплоту воде, используемой для отопления здания или го­рячего водоснабжения. Конденсат хладагента через дроссель /по­ступает опять в испаритель 2, и цикл повторяется.

Потребитель теплоты 5 получает, таким образом, кроме тепло­ты, эквивалентной затраченной работе 0₀ на привод компрессора, значительное количество теплоты 0₂, отбираемой от окружающей среды (на приведенной схеме — воды).

Коэффициент преобразования. Показатель экономичности рабо­ты теплового насоса — коэффициент преобразования К^, представ­ляющий собой отношение количества полезно израсходованной теплоты 0[ (сообщенной тепловому потребителю) к работе, затра­ченной на привод компрессора:

где К_х — холодильный коэффициент.

К оэффициент преобразования К_т всегда больше единицы и зависит от температурных условий, в которых работает тепловой насос. Чем выше температура ис­точника теплоты (например, воды в водоеме), тем выше коэф­фициент преобразования. У су­ществующих тепловых насосов, работающих в некоторых средних условиях, А'_ОТ = 3...5. Это значит, ЧТО затратив 1 кВт ■ Ч электро- Рис. 2.43. Принципиальная схема энергии на привод компрессора компрессионного теплового насоса: теплового насоса, потребитель _{7> 6}_ _{насосы перекачки; 2}__{испаритель;}

ПОЛучаеТ В 3...5 раз бОЛЬШе ЭНер- 3 — компрессор; -/—конденсатор; 5— ГИИ В ВИДе ТеПЛОТЫ потребитель теплоты; 7-дроссельный

вентиль

285

Весьма эффективно отопление при помощи тепловых насосов в районах, имеющих низкотемпературные источники теплоты (с Г= 20...45 °С), которые нельзя использовать без предварительного подогрева в отопительных системах. При утилизации теплоты подземных вод коэффициент преобразования теплового насоса повышается до 6. Тепловые насосы могут использоваться как для отопления, так и для охлаждения или того и другого одновремен­но. Основные технические данные наиболее распространенных тепловых насосов приведены в таблице 2.23.

2.23. Основные технические данные компрессионных тепловых насосов

Приведенные в таблице тепловые насосы работают на хладоне-12. Температура воды, выходящей из конденсатора, равна 58 "С, вы­ходящей из испарителя, 10 °С.

Термоэлектрический тепловой насос. Его действие основано на выделении или поглощении тепловой энергии в полупроводниках при прохождении по ним постоянного тока. Так, если пропустить постоянный электрический ток по цепи, состоящей из полупро­водников, то в месте контакта дырочного р — л-перехода с отри­цательным п — р-переходом происходит выделение теплоты (го­рячий спай), а в месте контакта п — /^-перехода с р — и-переходом происходит поглощение тепловой энергии (холодный спай). Если холодные и горячие спаи поместить в разные каналы (помещение или улица) и пропустить электрический ток, то в одном канале можно получать теплоту, в другом — холод. При смене направле­ния движения тока горячий канал становится холодным, холод­ный — горячим.

Таким образом, с помощью термоэлектрического теплового на­соса можно обогревать помещение в холодное время года, а в жар­кое — «откачивать» тепловую энергию из помещения наружу, по­меняв направление движения электрического тока.

К термоэлектрическим тепловым насосам относят насосы ТН-1,5; ТН-3; ТН-5 и ТН-7,5 номинальной тепловой мощностью соответственно 1750, 3500, 5800 и 8700 Вт и холодильной мощнос­тью 1170, 2340, 3840 и 5840 Вт. Их термоэлементы изготовлены из сплавов на основе висмута, теллура, селена, свинца и сурьмы. Ко­эффициент преобразования тепловых насосов серии ТН равен 2...4.

Эффективность применения тепловых насосов особенно вели­ка там, где имеется потребность в теплоте и холоде одновременно,

286

например на животноводческих фермах. Расчеты и результаты эк­сплуатации тепловых насосов показывают, что теплота охлаждае­мого молока может быть с успехом использована для нагрева воды и последующего ее применения в различных технологических процессах, что снижает расход электроэнергии на ферме КРС на 200 голов в 2,5...3 раза.