Тепловые насосы. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Институт энергетики

Высшая школа атомной и тепловой энергетики

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Учебное пособие

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Санкт-Петербург

2022

The Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

PETER THE GREAT

ST. PETERSBURG POLYTECHNIC UNIVERSITY

Institute of Energy

Graduate School of Nuclear and Thermal Energy

HEAT PUMPS

Training manual

Peter the Great

St.Petersburg Polytechnic

University

Saint Petersburg

2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

5

ВВЕДЕНИЕ

Истощение мировых запасов природного топлива и, как следствие, рост цен на него и производимые при его сжигании теплоту

иработу (электроэнергию) заставляют искать и развивать энергосберегающие технологии в промышленности, жилищно-ком- мунальной среде и других областях.

Одной из таких технологий является теплонасосная система отопления и горячего водоснабжения. Тепловые насосы (ТН) – ​осно-

ва данной технологии – ​используют также в технике опреснения

ивыпаривания водных растворов, сушки зерна, при термообработке пищевых продуктов и в других целях.

Тепловые насосы хорошо вписываются в концепцию «зеленой» энергетики, поскольку могут полностью или частично переходить на возобновляемые источники энергии.

Рассмотримидею,термодинамическиеосновыипрактическое использование ТН более подробно. В качестве основной области применения выберем теплоснабжение и горячее водоснабжение жилищно-коммунальных, общественных и промышленных объектов.

1. ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ: ИДЕЯ, РЕАЛИЗАЦИЯ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ

1.1. Системы теплоснабжения

Подавляющеебольшинствосистемтеплоснабженияиспользует:

–индивидуальный нагрев воздуха в печах;

–нагрев воды в индивидуальных водогрейных котлах;

–нагрев воды в водогрейных котлах котельных;

7

–централизованный подвод горячей воды от ТЭЦ;

–нагрев электрическим током;

–нагрев воды или воздуха с помощью ТН.

В первых четырех случаях источником теплоты служит экзотермическая реакция горения топлива. Современные котлы эффективны, а при использовании газового топлива – ​экологичны. Однако доля теплоты сгорания, используемая в системах теплоснабжения, не превышает 90… 95 % даже в случае, когда тепловые потери в коммуникациях невелики. Изношенные тепловые сети снижают эффективность теплоснабжения на 30 % и более.

Электрический обогрев основан на поддержании джоуль-лен- цева теплового потока в омических нагревателях воды, воздуха или строительных конструкций (теплых полов). Преобразование электроэнергии в теплоту происходит практически полностью, потери в передаче составляют не более 2–4 %. Однако КПД электростанций редко превышает 40 %, остаточная теплота сгорания частично илиполностьюотводитсявокружающуюсреду.

Системы теплоснабжения с ТН уникальны: их производитель-

ность всегда превышает уровень подводимой извне энергии. Почему такое возможно?

1.2. Идея теплового насоса

Концепция ТН вытекает из диссертации С. Карно, написанной в 1824 г. Однако первым, кто предложил работоспособную схему ТН, стал У. Томсон (1824–1907 гг.; с 1866 г. – 1-й барон Кельвин Ларгский). Он назвал свое устройство «умножитель теплоты» (1952 г.), heat multiplier – термин «тепловой насос» –

появился позднее.

Томсон уже в то время указывал, что ограниченность энергетическихресурсовнепозволитнепрерывносжигатьтопливовпечах. «Умножитель теплоты», как считал он, будет потреблять только 3 % энергии, затрачиваемой на печное отопление.

Сутьидеи–​использоватьдляотопленияхолодильнуюмашину. Схема «умножителя теплоты» У. Томсона представлена на рис. 1.

8

Рис. 1. «Умножитель теплоты» У. Томсона (1852 г.)

Холодный воздух из окружающей среды (ОС) поступает в рас- ширительный цилиндр (РЦ), где расширяется в процессе, близком к адиабатному, охлаждаясь ниже температуры ОС. Чтобы компенсировать охлаждение, воздух из РЦ подается в наружный теплообменник (ТО), где при постоянном давлении (изобарно) вновь доводится до температуры ОС. Затем воздух поступает на вход компрессора (Км), почти адиабатно сжимается в нем и достигает температуры несколько большей, чем температура в обогреваемом помещении (ОП), куда и выбрасывается под давлением, близким к атмосферному. Через вентиляционные каналы и посредством инфильтрации теплый воздух возвращается в ОС.

Часть работы, затраченной на сжатие в Км, возвращается для привода в РЦ; остаток возмещает паровой привод (ПП).

Рабочая (p, v) и тепловая (T, s) диаграммы процессов в описанном устройстве приведены на рис. 2, а, б соответственно. Знакомые с холодильной техникой узнают здесь обратный цикл Брайтона или цикл Белла–Коулмана с разрывом в верхней части; к нему мы вернемся в п. 3.2. Наиболее распространенные

внастоящее время парокомпрессионные холодильные машины

в1852 г. еще не существовали.

9

Рис. 2. Рабочая (а) и тепловая (б) диаграммы процессов в «умножителе теплоты» У. Томсона

Один из основоположников термодинамики, У. Томсон, понял, что для отопления используется теплота верхнего температурного уровня, количество которой всегда превышает затраты работы на привод установки. Томсон считал, что затраты на ТН составятнеболее3%отзатратнатрадиционноеотопление.Обоснованностьегопрогнозаобсудимвп.6.1.Дажевнастоящеевремя затраты энергии снижаются лишь на 50–70 %, но главное заключается в другом: Томсон показал, что можно, не нарушая первого начала термодинамики, расходовать энергии меньше, чем получать теплоты высокого потенциала.

Как при этом должна работать холодильная машина? Что она собой представляет?

1.3. Холодильная машина

Холодильная машина (ХМ) – ​устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды.

Отведеннаятеплотапередаетсяокружающейсреде,температура которой выше, чем температура охлаждаемого тела. Согласно

10