ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Дальневосточный государственный технический

рыбохозяйственный университет»

(ФГБОУ ВО «ДАЛЬРЫБВТУЗ»)

СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО

ОХЛАЖДЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ,

КОМФОРТНОЕ

ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ

Учебно-методическое пособие

для организации самостоятельной работы

студентов по направлению

16.03.03. «Холодильная, криогенная техника

и системы жизнеобеспечения» профиль

«Холодильная техника и технологии»

всех форм обучения

Владивосток

2016 г.

УДК 62-71+628.81(075.8)

ББК 31.26-04я73

Д79

Автор - Л.В. Дуболазова, старший преподаватель кафедры «Холодильная техника, кондиционирование и теплотехника»

Дальрыбвтуза

Рецензент – В.П. Шайдуллина, к.т.н., доцент кафедры «Холодильная техника, кондиционирование и теплотехника»

Дальрыбвтуза

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный

университет, 2016

Введение

Некоторые негативные факторы традиционного теплоснабжения предполагают активного использования нетрадиционных методов теплоснабжения, к примеру, холодильных технологий, которые могут применяться не только для получения низких температур, но и нагрева воды для систем теплоснабжения.

И одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного 5 - 30 °С природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Кроме традиционных областей применения отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования, тепловые насосы могут использоваться и для производственных технологических процессов.

Практически во всех развитых странах налажено массовое производство тепловых насосов, а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. штук. К настоящему времени в мире эксплуатируются свыше 15 млн. тепловых насосов мощностью от нескольких киловатт до сотен мегаватт, а рынок ежегодных продаж составляет около миллиона установок /40-42/.

Такой рост объемов выпуска тепловых насосов объясняется их преимуществами:

- высокая экономичность. Для получения 1 кВт тепловой энергии нужно затратить всего 0,2 - 0,35 кВт электроэнергии;

- экологическая чистота. Насос не сжигает топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу;

- низкие трудозатраты. Теплонасосную станцию мощностью до 10 МВт обслуживает один оператор;

Теплонасосные установки стремительно вытесняют другие способы теплоснабжения. Применение теплонасосных установок - это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды от выбросов СО₂ парникового газа в атмосферу.

Для автономного теплоснабжения зданий разного назначения, городских районов, населенных пунктов используют преимущественно парокомпрессионные тепловые насосы тепловой мощностью 10 - 30 кВт в единице оборудования малых зданий и до 5 МВт для районов и населенных пунктов.

По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75%.

Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах.

1. Краткая история создания тепловых насосов

Учитывая, что принцип устройства теплового насоса идентичен холодильнику, то историю создания теплового насоса можно считать с попыток человечества получить искусственный холод.

Карно в своих работах, послуживших основой диссертации в 1824 г., описал прямой теоретический цикл тепловой машины, который является классикой технической мысли, и до сих пор не претерпел значительных изменений.

1834 г. является рождением одной из первых установок круглогодичного кондиционирования воздуха и установлена была в здании английского парламента. Она была предназначена для охлаждения воздуха в помещении путем разбрызгивания воды, охлаждаемой льдом. Первый разработчик механической установки для производства искусственного льда был Джейкоб Перкинс. В этом же году француз Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл обратный термоэлектрический эффект, т.е. определил, что при пропуске электрического тока через спай разнородных металлов выделяется или поглощается теплота.

Вильям Томсон (Лорд Кельвин) в 1852 г. на основе исследований Карно, показал, как можно эффективно использовать обратный термодинамический цикл холодильной машины для целей теплоснабжения. В обосновании своего предложения, уже тогда, он указывал, что исчерпаемость органических ресурсов в недалеком будущем не позволит использовать их для теплоснабжения и, что его «умножитель теплоты» будет потреблять меньше топлива, чем обычные теплопроизводящие установки.

Предложенная Томсоном тепловая машина использовала воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывался в цилиндр, расширялся и при этом охлаждался, проходил теплообменник, где нагревался окружающим наружным воздухом. После цикла сжатия до давления несколько выше атмосферного, воздух из цилиндра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым за счет энергии сжатия в цилиндре от температуры окружающей среды до более высокой температуры. Практически подобная машина была реализована в Швейцарии.

В 1855 г. австрийским инженером Питером Риттер фон Риттингером был спроектирован и установлен первый тепловой насос. Он детализировал и усовершенствовал концепцию теплового насоса предложенную лордом Кельвиным.

Родоначальник геотермальных тепловых насосов Генрих Золи швейцарский инженер в 1912г. получил патент на их технологию. Российский ученый профессор Михельсон В.А. в 1920 г. разработал подобный проект парокомпрессионной установки с аккумулированием солнечного тепла в грунте.

Первую теплонасосную установку для отопления своего дома построил в 1927 г. в Шотландии английский инженер Д. Холдейн. В качестве теплового насоса была использована холодильная машина с электроприводом в 5 кВт.

В дальнейшем эти холодильные машины получили название тепловых насосов - ТН или теплонасосных установок - ТНУ.

Тепловые насосы получили быстрое развитие с 20-30-х годов прошлого столетия.

Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938 - 1939 гг. В ней использовалась теплота речной воды. ТНУ обеспечивала отопление ратуши водой с температурой до 60 °С при мощности 175 кВт. Была и система аккумулирования теплоты с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на систему кондиционирования, охлаждения воздуха, подаваемого в помещения.

В период с 1939 по 1945 года было создано ещё 9 подобных установок, с целью сокращения потребления угля в стране. Характеристики крупных установок, запущенных в эксплуатацию в период с 1938 по 1961 гг., приведены в табл. 1.1. /32/. Некоторые из них успешно проработали более 30 лет.

Первый подробный проект парокомпрессионной теплонасосной установки в СССР был разработан известным физиком Михельсоном В.А. в 20-х годах двадцатого века /27/.

Теплоснабжение с помощью тепловых насосов является одним из наиболее перспективных направлений в области энергосбережения и получает все большее распространение в мире. Энергетический кризис 70-х годов прошлого столетия дал мощный толчок развитию ТНУ. Так, например, в США в этот период объем производства тепловых насосов утроился и достиг 300 тыс. установок в год, а общее число действующих ТНУ насчитывает миллионы /9 /.

Таблица 1.1. Первые теплонасосные установки

Год	Место нахождения	Назначение	Мощность тепловая, кВт	Источ-ник тепла НПИТ	Примечание
1	2	3	4	5	6
1938	Цюрих Швейцария	Отопление ратуши водой (tв=60 0С)	175	Речная вода	КМ N=81,4 кВт
1939	Цюрих	Кондиционирование воздуха	58	воздух	tв=40 0С
1941	Цюрих	Плавательный бассейн	1500	Речная вода и сточная	tв=23 – 45 0С
1941	Скекборн Швейцария	Технол. тепло на фабрике искусственного шелка	1950	Вода из озера	tв=70 0С
1941	Ландкард Швейцария	Сушка на бумажной фабрике	122	Воздух
1942	Цюрих	Отопление	7000	Речная вода	tв=70 0С
1943	Цюрих	Отопление	1750	Речная вода	tв=50 0С
1943	Шоненвер Швейцария	СКВ на обувной фабрике	250
1944	Ларгенталь Швейцария	Нагрев в пивоваренном заводе	140	Технологическая вода	tв=45 0С
1945	Лугано Швейцария	Отопление		Вода из озера
1945	Норвич Англия	Крупное здание. Вода (tв=500)	140	Речная вода	Объем здания 14200 м3 КМ N=80 кВт
1949	Концертный зал Ройялфестивал Холл г. Лондон	Отопление водой	2700	Вода из Темзы	tв=71 0С
1950	Норвич Англия	Отопление дома, вода	3,74	Подземный теплообменник на глубине 1 м	Теплые полы СОР = 2,8
1954		Холодильник нагреватель Бак V = 136м3	0,7 – 1,3	Воздух	tохл. = 11 0С КМ N=0,4 кВт
1961	Наффилд –колледж Оксворд Англия	Вода	150	сточные воды	КМ N=31 кВт

В начале 80-х годах интерес к ТН вырос как никогда. В Европе, Японии и США выпускают установки для теплоснабжения квартир, общественных зданий и промышленных процессов.

В 1987 г. создана Международная Ассоциация Грунтовых Тепловых Насосов.

Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило, создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно из важнейших пересечений техники низких температур с теплоэнергетикой