Тепловые насосы. Учебное пособие

нагретой жидкости. Данный процесс заложен в основу действия АБТН. Рассмотрим упрощенную схему такого ТН (рис. 27).

Жидкий аммиак NH3 с параметрами t1, p1 из Кд дросселируется в дроссель-вентиле РВ1 и поступает в И с параметрами t2, p2. В И жидкость кипит, переходит в сухой насыщенный пар и подаетсявабсорбер(А),гдепоглощаетсяводнымраствором;теплотаQА отводится охлаждающей водой.

Обогащенный раствор с температурой tII (t1 < tII < t2) насо- сом (Н) подается в парогенератор (ПГ). Теплота QПГ подводится извне и генерирует почти сухой аммиачный пар (парциальное давление водяного пара при этих температурах мало). Пар аммиака NH3 поступает в Кд, а обедненный раствор возвращается в А через дроссель-вентиль РВ2, снижающий давление с р1

до р2. Комплекс ПГ + А + Н + РВ2 заменяет компрессор в ПКХМ.

51

Эффективность АБХМ определяет коэффициент преобразования теплоты (аналог холодильного коэффициента):

ξ= QИ .

QПГ

Эффективность абсорбционного теплового насоса (АБТН) опре-

деляет коэффициент трансформации (аналог коэффициента преобразования теплоты):

λ = QИ +Qк .

QПГ

АБТН используют там, где имеется «бросовая» теплота QПГ: наТЭЦ, угеотермальных источников, насточных водах ит.п.

Назначение АБТН – ​технологическое теплоснабжение, отопление зданий и горячее водоснабжение. Коэффициент трансформации АБТН составляет 1,65… 1,75. Он ниже, чемψ для ТН парокомпрессионного типа.

Если в традиционных ТН осуществляется только обратный цикл, тосуществуют схемы АБТН, в которых реализуются как прямой, так иобратный циклы.

ВАБТНпервоготипатемпературавконденсаторевышетемпературывиспарителе,устройствополностьюповторяетсхемупарокомпрессионного ТН с единственным отличием: вместо компрессора используется комплекс парогенератора, абсорбера, насоса ирегулируемого вентиля; коэффициент трансформацииλ = 1,5… 2,5. УпрощеннаясхематакогоАБТНпредставленанарис.28.

АБТН другого типа получили название термотрансформаторов. Температура в их конденсаторе ниже температуры в испарителе. Они используют холодный теплоноситель среднего температурного уровня и выводят горячий теплоноситель на уровень, превышающий этот исходный на 25… 50°C. Термотрансформаторы работают систочниками теплоты низкого потенциала иобеспечивают энергосбережение,сокращаятепловыевыбросы.Длянихλ=1,4…1,5.

Схему и термические параметры термотрансформатора иллюстрирует рис. 29. Принципиальным отличием в данном случае служит присутствие ТО.

52

ВтермотрансформатореАиИработаютпривысокомдавлении р1, а ПГ и конденсатор Кд – при​ низком р2. В И хладагент испаряется за счет подвода теплоты при средней температуре t. Пары хладагента поглощаются в абсорбере А, где теплота выделяется при высокой температуре t2. Разбавленный абсорбер через дрос- сель-вентиль РВ возвращается в ПГ, где десорбируется до слабого

И А

Рис. 28. Упрощенная схема АБТН, работающего по обратному циклу

Рис. 29. Схема и параметры рабочего тела в цикле термотрансформатора

53

раствора. Пар хладагента конденсируется в КД и перекачивается насосом Н1 в И. Теплообмен в конденсаторе КА происходит при низкой температуре t0; сконденсированный абсорбент из И перекачивается в А.

Теплообменник регенерирует теплоту и повышает коэффициент трансформации λ.

Термотрансформаторы обычно работают на водоаммиачных растворах.

АБТН можно использовать вместо градирен и прудов-холо- дильников. Здесь АБТН обеспечивают теплоснабжение и одновременно являются холодильными установками.

К преимуществам АБТН относятся:

–нагрев среды до 60… 80 °C;

–широкая линейка мощности –от​ кВт до МВт;

–длительная служба по сравнению с ПКХМ;

–использование различных источников теплоты (жидкость, пар, газ);

–отсутствие шума (из движущихся элементов – ​только детали насосов).

Характерные недостатки АБТН:

–фактическийкоэффициенттрансформацииневыше1,3…1,4;

–высокая материалоемкость, габариты и стоимость;

–потребность в доступном низкотемпературном источнике теплоты;

–большой срок окупаемости при сезонном использовании. Наилучшие перспективы АБТН имеет в«большой энергетике»,

где есть все необходимое для их эксплуатации, а преимущества применения очевидны.

3.4. Термоэлектрические тепловые насосы

Парокомпрессионные, газовые, абсорбционные ТН имеют отличия от холодильных установок соответствующих типов. Это связано впервую очередь спотребностью достижения более высоких температур горячего теплоносителя. Даже в случаях, когда ТН применяются для круглогодичного кондиционирования воздуха,

54

ихпереводвлетнийрежимсвязанспереключениемлиний,требует особой конструкции ТО и т. д. Существующиетермоэлектриче- ские ТН (ТЭТН) этих недостатков лишены.

В основе действия ТЭТН лежит эффект Пельтье: если через полупроводниковую пару пропустить электрический ток, то в месте спаев полупроводников с дырочной (+) и электронной (–) проводимостью будет выделяться или поглощаться теплота. При смене полярности подводимого постоянного тока направление теплового потока изменится на обратное.

Схемы термоэлемента и ТЭТН приведены на рис. 30. Тепловые потоки Q1 и Q2 передаются через поверхности теп-

лообмена, охлаждая холодный теплоноситель до температуры T1 и нагревая горячий до температуры T2.

Обычно ТЭТН включает несколько пар полупроводниковых пластин, как показано на рис. 30, б. Образуются группы горячих и холодных слоев. При подводе электропитания в точках А и В через всю систему проходит одинаковый ток.

Для поддержания Т1 = const и Т2 = const через теплообменные каналы прокачивают теплоносители, отводящие и подводящие тепловые потоки.

Рис. 30. Схемы термоэлемента (а) и ТЭТН (б): 1 – ​полупроводник с дырочной проводимостью (+);

2 – ​полупроводник с электронной проводимостью (–); 3 – ​источник постоянного тока; 4 – ​коммутационный ключ

55

По первому началу термодинамики тепловой поток, эквивалентный затратам внешней энергии в ТЭТН,

Qэ = Q2 – ​Q1, Вт,

где при прохождении тока I через спай I от полупроводника 2 к полупроводнику 1 подводится тепловой поток

Q1 =α I T1,Вт,

где α – ​коэффициент термоЭДС полупроводников, В/К; I – ​ ток, А; Т1 – ​температура спая I, К.

ЧерезспайIIпроходиттотжетокI иотводитсятепловойпоток

Q2 =α I T2,Вт,

где Т2 – температура​ спая II, К.

Коэффициент преобразования ТЭТН равен, таким образом,

Это означает, что идеальный ТЭТН имеет ту же эффективность, что и ТН, работающий по обратному циклу Карно.

Вреальных условиях значение ψт значительно ниже рассчитанного, поскольку в цепи ТЭТН, кроме эффекта Пельтье, действуют и другие эффекты.

При пропускании через любую электропроводную среду электрического тока действует эффект Джоуля–Ленца; в среде выделяется теплота. При прохождении постоянного тока эта теплота выделяется равномерно во всем объеме проводника.

Кроме того, материалы термоэлектрических батарей имеют достаточно высокую теплопроводность, в результате чего тепловые потоки передаются от группы горячих слоев к группе холодных.

Впервом приближении можно считать, что эффекты Пельтье

иДжоуля–Ленца действуют противоположно. В силу эффекта Пельтье отводится тепловой поток, пропорциональный электрическому току:

–Q ~ I.

56

Рис. 31. Совместное действие эффектов Пельтье и Джоуля–Ленца

В силу эффекта Джоуля–Ленца подводится тепловой поток, пропорциональный квадрату тока:

+Q ~ I 2.

Результирующий тепловой поток имеет минимум при опти-

мальном токе Iопт (рис. 31).

Величина тока Iопт зависит от термоэлектрических и теплофизических свойств материалов. Варьируя высоту и сечение ветвей, можно создавать батареи термоэлементов различной мощности.

Термоэлектрические тепловые насосы делятся на две группы.

– ТЭТН малой мощности (0,1… 100 Вт) не требуют обслуживания, бесшумны и надежны. Таким может быть, например, подоконный кондиционер с ТЭТН (рис. 32).

Горячая вода поступает в прибор отопления 4 по трубопроводу1,аотводитсяпотрубопроводу2.Термоэлектрическийтепловой насос 3 установлен в месте, где трубы параллельны и служат каналами для горячего и холодного теплоносителей. Реле управляет работой ТЭТН 3, поддерживает температуру на заданном уровне.

57

Как следствие, ТЭТН применяются в основном в агрегатах малой мощности, в условиях, где требуются компактность и надежность (авиация, космос, электроника, военная техника).

4.ИСТОЧНИКИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

4.1.Виды источников

Все источники низкопотенциальной теплоты можно разбить наприродныеитехногенные(шире–связанные​ сжизнедеятельностью человека).

Природными источниками энергии из окружающей среды явля-

ются излучение Солнца, воздух, грунтовые и поверхностные воды, атакжегео-ипетротермальнаятеплота.Ввидуколоссальнойтепло- емкости сред, имеющих температуру, пригодную для утилизации теплоты, эти источники практически неисчерпаемы.

Техногенные источники энергии связаны с реализацией второго начала термодинамики: совершение полезной работы возможно только при отводе части теплоты в окружающую среду. Тепловые выбросы промышленных, аграрных и бытовых объектов не только нарушают природное равновесие, меняют климат, ухудшают условия жизни, но и могут быть полезно применены. Наибольшие трудности вызывает использование так называемой теплоты низкого потенциала, при сбросе которой в окружающую среду температура теплоносителей не превышает примерно 100 °C (значение весьма условное).Этовыбросыградиренитеплообменниковэлектростанций, отходы, спускаемые в канализацию, дым котлов и других нагревательных итехнологических устройств ит.д.

Оба типа источников пригодны для использования в качестве холодных теплоносителей ТН, а сами ТН дают при таком использовании те уникальные возможности, о которых дал представление У. Томсон.

4.2. Солнечное излучение

Солнечную энергию как источник теплоснабжения можно использовать в двух видах:

59

–после концентрации с повышением плотности теплового потока;

–непосредственно, т. е. с помощью солнечных коллекторов

ипанелей.

Для ТН плотность сконцентрированного теплового потока избыточна, а несконцентрированного – ​недостаточна. Остается использовать электроэнергию, выработанную фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП), и теплоту, выделившуюся при охлаждении ФЭП.

Схема такого процесса представлена на рис. 33. Оценим его эффективность.

Концентратор1увеличиваетплотностьсолнечногоизлученияЕ и направляет поток Q на ФЭП 2, в систему охлаждения которого входит испаритель ТН 3. Компрессор 4 приводится в действие подводом мощности W от ФЭП 2. Сжатый хладагент поступает в конденсатор 5, ожижается, а затем дросселируется в регулирующем вентиле8.Теплоноситель,используемыйдлятеплоснабженияобъектов 7, прокачивается через теплообменник 6, где получает теплоту конденсации.

Оценим показатели такой системы. КПД ФЭП зависит от температуры:

η = η0 [1 – ​k (Tf – ​T0)],

гдеη0 –​КПДФЭПпристандартнойтемпературеТ0 =293К;Tf –​тем- ператураФЭП,К;k–температурный​ коэффициент(k<0,0031/К).

Рис. 33. Использование солнечного излучения в ТН

60