3 Классификация тн

В настоящее время нет единого мнения по обозначению различных классов установок. Созданные и эксплуатируемые ТНУ отличаются по тепловым схемам, рабочим телам и используемому оборудованию. Классификация ТН может осуществляться по различным признакам: по циклам работы; по используемому источнику низкопотенциальной энергии, по способу передачи тепла в отапливаемые помещения; по используемому оборудованию, по функциям, которые способны выполнять тепловые насосы.

Классификация ТН осуществляется по циклам их работы.

Здесь можно выделить несколько основных типов тепловых насосов:

- воздушно-компрессорные тепловые насосы;

• парокомпрессионные с электро- или газоприводом компрессора;

• абсорбционные;

• термоэлектрические и т.п.

По принципу взаимодействия рабочих тел ТН объединяют в две группы:

1) открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду;

2. замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

По назначению ТН:

-стационарные и передвижные;

• для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта;

• для утилизации сбросного тепла.

По производительности: крупные, средние и мелкие.

По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов.

По виду потребляемой энергии: с приводом от электродвигателя или газовой турбины, или от газовой турбины, на ВЭР.

По выполняемым функциям: на отопление, для кондиционирования помещения в течение года, применение в комплексных системах (обеспечивают отопление, охлаждение и ГВС) и для ГВС.

В зависимости от назначения и величины тепловой нагрузки объекта и источника низкопотенциальной теплоты применяются КТН типа «воздух - воздух», «воздух - вода», «вода - воздух», «вода – вода».

4 Принцип работы тн

Основные элементы парокомпрессионных тепловых насосов – компрессор (преобразователь механической работы в теплоту), испаритель (теплоприемник), конденсатор (теплоотдатчик), терморегулировочный вентиль для организации циклической работы трансформатора и микропроцессор, управляющий режимом работы тепловых насосов. На рисунке 1 приведена упрощенная схема теплового насоса.

Автоматизированная система управления обеспечивает безаварийный безопасный и эффективный режим работы теплового насоса и вспомогательного оборудования. Системы могут быть автоматически объединены в единую сеть управления несколькими ТН.

Управление работой теплового насоса осуществляется системой управления и автоматики на микропроцессорной основе, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

Рисунок 1.1 – Принцип работы теплового насоса

Принцип работы основывается на постоянной смене четырех агрегатных состояний рабочего тела: испарении, сжатии, сжижении и расширении. На рисунке 1.1 показан цикл работы теплового насоса. Передачу тепла в ТН производит хладагент (рабочее тело) – вещество, испаряющееся при низких температурах и с помощью которого совершается отдельный термодинамический процесс или цикл. От характеристики рабочего тела зависит конструкция холодильной машины и расход энергии, поэтому при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические, физико-механические и физиологические свойства. В настоящее время наиболее распространенными рабочими телами являются аммиак, фреон, вода и воздух. Фреоны – углеводороды, в которых водород полностью или частично заменен чаще всего фтором или хлором. При внешних источниках с переменными температурами для уменьшения потерь в процессах теплообмена желательно иметь рабочие тела с переменными температурами кипения и конденсации. Такими свойствами обладают неазеотропные рабочие тела, представляющие собой смесь двух или нескольких веществ с различной зависимостью давления насыщения от температуры, например смесь фреона-11 и фреона-12.

Осуществление цикла ТН в области температур выше окружающей среды вызывает повышение давление в системе. Поэтому рабочие тела для ТН выбирают таким образом, чтобы при высоких температурах конденсации обеспечивалось умеренное давление конденсации. Кроме того, рабочее тело должно обладать высоким значением объемной холодопроизводительности, а разность давлений конденсации и кипения не должна превышать допустимых пределов.

Используемые хладагенты должны быть нетоксичны, особенно там, где ТН применяются для отопления общественных зданий и безвредны для озонового слоя.

Вода как рабочее тело используется в пароэжекторных холодильных машинах, где можно сжать большие объемы пара. Воздух является рабочим телом в газовых холодильных машинах.

Процесс переноса тепла осуществляется с затратой электроэнергии, так же как в холодильнике. Принцип работы теплового насоса напоминает работу холодильника, только наоборот.

Хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель-коллектор, который представляет собой ламельный теплообменник. В испарителе жидкий хладагент, контактируя с природным тепловым потоком или ВЭР с температурой t_1, испарятся при низком давлении р_и и температуре t_и,. Источником низкопотенциальной теплоты может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения: наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения – углекислота, аммиак, фреоны. В газообразном состоянии хладагент поступает в компрессор. Компрессор всасывает и сжимает пары хладагента. При этом его температура, согласно законам термодинамики, повышается. Горячий газ попадает в конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник. В конденсаторе пары конденсируются при давлении р_к и температуре t_к с отдачей теплоты Q₁ теплоносителю сети теплоснабжения или системы отопления. При этом хладагент сжижается, т.к. понижается его температура. Далее сжиженный хладагент проходит через дроссельный клапан. В дросселе давление жидкого хладагента сжижается до давления, равного давлению в испарителе, а температура снижается до температуры низкопотенциального источника. Цикл замыкается.

Работу ТН поддерживают электромоторы, служащие для циркуляции и компрессии. Компрессор теплового насоса потребляет в 3–5 раз меньше электроэнергии, чем подает энергии в систему отопления из источника низкопотенциального тепла. На каждый затраченный киловатт-час электроэнергии приходится от 3 до 7 кВтч тепловой энергии, поступающей в систему отопления. Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора.

Соотношение между параметрами энергетических потоков в тепловом насосе описываются выражением:

Q₁ =Q₂+ Q_эл , (1.1)

где Q₁ – высокопотенциальная теплота, отдаваемая в систему отопления;

Q₂ – низкопотенциальная теплота;

Q_эл - работа компрессора.

Энергетическая эффективность теплового насоса оценивается с помощью коэффициента преобразования , который представляет собой отношение теплопроизводительности к потребляемой мощности.

= Q₁/ Q_эл. (1.2)

Чем выше коэффициент преобразования , тем эффективнее насос. Коэффициент преобразования  зависит от:

• разности температур источника низкопотенциальной теплоты и потребителя высокотемпературной теплоты,

• термодинамических свойств хладагента,

• особенностей термодинамического цикла,

• технического совершенства конструкции теплового насоса.

Для тепловых насосов, применяемых в системах теплоснабжения при разности температур около плюс 40 – 50 С, значение  колеблются от 3 до 5. При таких значениях  экономия первичного топлива, по сравнению с теплоснабжением от котельной с КПД=0,7–0,9, составляет около

20–40 %.