2.3.3 Тепловые насосные установки (тну)

В качестве приоритетного направления более широкого использования нетрадиционных источников энергии наибольший интерес представляет область тепло-хладоснабжения, являющаяся сегодня одним из наиболее емких мировых потребителей топливно-энергетических ресурсов. Преимущества технологий тепло-хладоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. Представляется, что именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке тепло-хладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом.

Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих экологически чистых технологий и получает всё большее распространение в мире. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями (использование солнечной, ветровой энергии, энергии Океана и т.п.), относится к технологиям XXI века.

В общем случае тепловой насос - это устройство, используемое для обогрева и охлаждения. Он работает по принципу передачи тепловой энергии от холодной среды к более теплой, в то время как естественным путём тепло перетекает из теплой области в холодную.

Таким образом, тепловой насос заставляет двигаться тепло в обратном направлении. Например, при обогреве дома тепло забирается из более холодного внешнего источника, и передается в дом. Для охлаждения (кондиционирования) дома тепло забирается из более теплого воздуха в доме и передается наружу. Тепловой насос в чём-то подобен обычному гидравлическому насосу, который перекачивает жидкость с нижнего уровня на верхний, тогда как в естественных условиях жидкость перетекает с верхнего уровня на нижний.

В основу принципа действия наиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены два физических явления:

· поглощение и выделение тепла веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

· изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

Соответственно, основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник-испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель. В испарителе рабочее тело, обычно хладон, находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая теплоту низкопотенциального источника. Затем рабочее тело сжимается в компрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, и поступает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая теплоту испарения приёмнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. Из конденсатора рабочее тело через дроссель вновь поступает в испаритель, где его давление снижается и снова начинается процесс кипения.

Тепловой насос может забирать тепло из нескольких источников, например, воздуха, воды или земли. И таким же образом он может сбрасывать тепло в воздух, воду или землю. Более теплая среда, воспринимающая тепло, называется теплоприёмником. В зависимости от типа источника и приёмника тепла испаритель и конденсатор могут выполняться как теплообменники типа «воздух-жидкость», так и «жидкость-жидкость».

Регулирование работы систем теплоснабжения с применением теплового насоса в большинстве случаев производится его включением и выключением по сигналам датчика температуры, установленного в приёмнике (при нагреве) или источнике (при охлаждении) тепла. Настройка теплового насоса обычно производится изменением сечения дросселя (терморегулирующего вентиля - ТРВ).

В зависимости от сочетания вида источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосы делятся на следующие типы:

· воздух - воздух;

· воздух - вода;

· грунт - воздух;

· грунт - вода;

· вода - воздух;

· вода - вода.

Эти типы тепловых насосов отличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя и конденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространённый, парокомпрессионный. 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.

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса - отношение теплопроизводительности к электропотреблению -зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, т.е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35-55 °С. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %.

Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов - теплонасосные системы теплоснабжения - могут быть применены для отопления, подогрева вентиляционного воздуха, нагрева воды для горячего водоснабжения и т. п.

В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:

а) вторичные энергетические ресурсы:

теплота вентиляционных выбросов;

теплота серых канализационных стоков;

сбросная теплота технологических процессов и т.п.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

теплота окружающего воздуха;

теплота грунтовых и геотермальных вод;

теплота водоёмов и природных водных потоков;

теплота солнечной энергии и т. п.

теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

Следует учесть, что использование тепловых насосов для тепло-хладоснабжения с использованием ВЭР и НВИЭ представляет собой новую современную технологию и требует современных архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технологических решений по всему объекту в целом. ТСТ должна быть органично вписана в объект и рационально сопряжена с остальными инженерными системами объекта.

В ТНУ, как источника низкопотенциального тепла, можно использовать природный воздух, поверхностные реки, озера, подземные воды, грунт, отработанные в производственных процессах теплоносители (воздух, газы, жидкости). ТНУ, имея электропривод, возвращает затраченную на вращение электромотора электрическую энергию в виде низкопотенциального тепла – теплоноситель с температурой 40÷70°С, но в количестве в 2-3 раза больше – т.е. на 1 затраченный киловатт электрической энергии ТНУ возвращает от 2 до 6 киловатт тепловой энергии.

t_и = -5 ÷ +4 1 2 2 t_к = +40 ÷ +70

3

5 4

Рис. 2 Устройство и принцип работы теплового насоса

Схема компрессорного теплового насоса, работающего по замкнутому циклу, показана на схеме. В этой схеме, испаритель, с кипящим хладагентом (фреоном) с температурой кипения (-1)÷(-5)ºС, отбирает тепло из воды (воздуха, почвы) с температурами (+4 )÷(+10)ºС.

В качестве хладона, в настоящее время, для ТНУ используют фреоны – производные метана – Ф-12, Ф-13, Ф-22, Ф-23, Ф-114, Ф-142 и их смеси. Наиболее безопасным и экологически чистым считается Ф-22 – дифтормонохлорметан (CHF₂Cl), имеющий температуру кипения при 0,1 мПа (1 атм) – t_s=-40,8ºС, и критическую температуру t_кр= +96ºС при Р_кр=5,03 Мпа. Имея один атом хлора, он выгодно отличается от Ф-12 (СF₂Cl₂), имеющего два атома хлора в своем составе, что резко снижает разрушение азонового слоя земли.

Чтобы оценить габариты ТНУ (конденсатор и испаритель) для рассчитанной нагрузки на объект, необходимо предварительно воспользоваться диаграммой P-i (давление-энтальпия), построив в ней цикл теплового насоса, работающего на Ф-22 (см. диаграмму P-i и таб.1 для Ф-22 в прил. 3) и определить тепло конденсации, которое через теплообменник (см. рис. 2) направляется сетевым насосом на нужды: отопление, вентиляцию, ГВС. Для лучшего восприятия материала эскиз диаграммы P-i представлен на рис. 3 В этой диаграмме, в соответствии с рис. 3 процесс 1-2 – адиабатная работа сжатия фреона в компрессоре; 2-3-4 – процесс конденсации фреона в конденсаторе при Р=const, с отдачей тепла конденсации воде в змеевике, которая затем используется в теплоснабжении; 4-5 – процесс дросселирования жидкого фреона в дроссельном клапане с давления в конденсаторе до давления в испарителе; 5-1 – процесс кипения фреона в испарителе при Р=const. Для кипения необходимо к фреону подводить тепло из окружающей среды.

Из курса термодинамики известно, что в процессах изобарных (Р=const), а также адиабатных (S=const) изменение энергии в процессе (тепла, работы) можно рассчитать как разность значений энтальпий начала и конца процесса.

Согласно рис. 3 на диаграмме P-I (давление-энтальпия) показаны процессы теплового насоса.

Рис. 3 Эскиз диаграммы P-i

Как видно из поясняющего рис. 2 и рабочей диаграммы P-I (рис.3) адиабатный процесс в компрессоре при S =const на 1 кг рабочего тела (фреона 22) можно рассчитать как [кДж/кг]; (2.17)

тепло конденсации, которое можно передать системе отопления –

[кДж/кг]; (2.18)

тепло на испарение (кипение) фреона в испарителе, которое отбирается из окружающей среды (воздуха, воды, грунта) –

[кДж/кг]. (2.19)

Процесс дросселирования фреона в регулирующем вентиле, как известно из курса термодинамики, идет при постоянной энтальпии - i=const.

В расчетах следует принимать:

а) Температуру начала конденсации (сбива перегрева фреона в конденсаторе), процесс 2-3, t_к= 85-90ºС при P =const. Процесс конденсации – 3-4, t_к= 65-70ºС при P =const.

б) Температуру кипения фреона в испарителе, процесс 5-1, t₀= 0-2ºС при P =const. Минимальная температура воздуха, воды, грунта должна быть не менее 4-5ºС.

Анализ работы ТНУ показывает, его эффективность может быть определена отношением:

= φ, (2.20)

где: φ - коэффициент преобразования, который равен отношению тепла, полученного в конденсаторе на отопление и ГВС к работе компрессора, на которую затрачивается очень дорогая электроэнергия. Чем больше этот коэффициент, тем эффективней ТНУ. Тепловой насос считается эффективным, если φ ≥ 2,8, т.е. на каждый затраченный кВт электроэнергии на привод компрессора, должно получиться более 2,8 кВт низкопотенциальной тепловой энергии. При указанных выше параметрах работы ТНУ на Фреоне -22, температура воды в отопительных приборах не превысит 50 ÷ 55ºС. Поэтому в случае использования пристенных батарей необходимо или увеличивать их поверхности или ставить дополнительный источник тепла (котельные агрегаты, электронагреватели, теплонакопители и т.п.). Как правило, при батарейном отоплении , коэффициент φ не превышает 4. При напольном и воздушном отоплении, когда необходимо снижать температуру конденсации и следовательно температуру воды в напольных системах отопления до 35-40ºС (процесс ТНУ при напольном отоплении показан как 1-2′-3′-4′-5′-1) коэффициент преобразования меняется в большую сторону и может превышать 5-6 единиц. Но в этом случае поверхность напольного отопления:

(2.21)

будет больше поверхности при батарейном отоплении, т.к. .

Оценка количества фреона, циркулирующего в системе [кг/с] может быть определена из балансового уравнения:

[кВт], откуда (2.22)

[кг/с]

Оценка габаритов ТНУ (конденсатор и испаритель) может быть получена из общего уравнения теплообмена:

(2.23)

Из этого уравнения поверхность конденсатора «фреон-вода»:

[м²], (2.24)

Где коэффициент теплопередачи по справочной литературе можно принять в пределах 400-500 Вт/м²ºС.

Температурный напор между фреоном и водой для отопления можно найти из следующего графика:

Рис. 4 График для определения температурного напора

Оценка габаритов испарителя ТНУ может быть получена из следующего уравнения теплообмена:

(2.25)

[м²], где коэффициент теплопередачи k [Вт/м²ºС], можно принять по справочнику в пределах 150-200 Вт/м²ºС.

Температурный напор между фреоном и природной водой (река, озеро и т.п.) находятся из следующего графика:

Рис. 5 График для определения температурного напора

В графике (рис.5) температуру природной воды можно принять постоянной t_в=const из-за бесконечного расхода, который мы можем организовать через испаритель насосной системой.

Выбрав диаметр змеевика (трубки) для циркуляции по ТНУ фреона (медная трубка) d = 10-20 мм) и зная поверхности конденсатора и испарителя, длина трубки аппарата определяется как:

[м]. (2.26)

Габариты теплообменного аппарата (змеевиковый, кожехотрубный, спиральный и т.п.) оценивается согласно выбранной конструкции по теории тепломассообмена.