Классификация и основные характеристики тепловых насосов

Как указывалось выше, тепловые насосы являются разновидностью трансформаторов теплоты и предназначены для получения теплоносителя среднего и повышенного потенциала, используемого на тепловом потреблении.

Тепловой насос работает следующим образом. В теплообменнике-испарителе отбирается теплота низкого потенциала и передается так называемому рабочему телу (фреоны). Образующиеся в испарителе пары фреонов сжимаются в компрессоре, с одновременным повышением их давления и температуры. Затем теплота сжатых паров в конденсаторе передается тепловому потребителю, а конденсат после дросселирования давления вновь поступает в испаритель. Отсюда можно сделать вывод, что действие теплового насоса ничем не отличается от работы обычного компрессионного холодильника [8].

Рабочими агентами тепловых насосов служат: фреон-11, фреон-21, фреон-113 , фреон-114, фреон-142 ,газы и газовые смеси (в том числе и воздух), имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения.

Теплоотдатчиком в испарителе могут быть источники природной теплоты – наружный воздух, вода естественных водоемов, грунт и т.д. Если теплоотдатчиком служит термальная вода или охлаждающая вода промышленных печей, конденсаторов турбин и других производственных агрегатов, то энергетический эффект работы теплового насоса увеличивается.

Во многих странах мира тепловые насосы нашли широкое применение. Их общая мощность за рубежом сегодня составляет примерно несколько миллионов киловатт. Теплонасосные станции серийно выпускаются в Англии, Франции, Швеции, Японии, странах СНГ, включая Республику Беларусь, и других странах мира. Только в США сегодня действует более 2 млн. таких установок [10].

Однако надо признать, что теплонасосные схемы в Республике Беларусь внедряются недостаточно. Это связано как с организацией научных исследований, так и с возможностями промышленности.

Расчетная эффективность от внедрения тепловых насосов чрезвычайно велика. По сравнению с электрообогревом применение тепловых насосов приводит к 3–5-кратной экономии топлива. Это подтверждено как лабораторными экспериментами, так и опытом эксплуатации соответствующих установок.

Использование тепловых насосов применительно к низкопотенциальным источникам теплоты

Тепловые насосы можно использовать в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения) и т.п. Так, для теплоснабжения отдельно стоящих различных насосных станций в настоящее время, как правило, используют преобразование электрической энергии в тепловую с помощью калориферов или различных теплоэлектронагревателей (ТЭНов). Суммарная мощность их ограничена 30 кВт. Это вызывает значительные трудности для обеспечения требуемых расчетных температур воздуха внутри насосных станций [11].

Для экономии электроэнергии предлагается применять тепловые насосы типа «вода–воздух».

В насосных станциях источником низкопотенциальной теплоты может служить перекачиваемая жидкость, а нагреваемым теплоносителем – воздух станции. В этом случае тепловой насос должен находиться непосредственно в насосной станции.

Предлагаемая принципиальная схема отопления водопроводной насосной станции с помощью теплового насоса «вода–воздух» приведена на рис. 46 [11]. Часть перекачиваемой насосами 1 воды подается на испаритель 2, где она охлаждается за счет теплообмена с рабочим веществом теплового насоса, испаряя его. Охлажденная вода возвращается обратно в сеть. Образовавшиеся пары рабочего вещества (хладон-12) из испарителя 2 отсасываются компрессором 3 и сжимаются им до давления, определяемого температурой входящего в конденсатор 4 воздуха, где происходит его нагрев за счет теплоты конденсации рабочего вещества. Образовавшийся конденсат рабочего вещества через дроссель 5 подается вновь в испаритель 2, и цикл повторяется. Расход электроэнергии на прокачивание воды через испаритель незначителен. Для получения тепловой мощности 10 кВт насосу достаточно перекачать через испаритель примерно 2,5 м/ч воды, что составляет менее 1 % объема прокачиваемой воды.

Рис. 46. Принципиальная схема отопления насосной станции с помощью теплового насоса типа «вода-воздух»:

1 – технологические насосы; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – воздушный конденсатор со встроенным вентилятором; 5 – дроссель; В – вода;

Х – хладагент (хладон–12). Пунктиром показана заводская поставка

По данным, приведенным в [10 ], наиболее распространенной за рубежом является схема с комбинированным использованием теплоты грунта и солнечной энергии (рис. 47), хотя сведения об экономической эффективности таких схем пока отсутствуют.

Возможная схема теплонасосного отопления помещения с использованием вентиляционного воздуха показана на рис. 48, а с использованием теплоты естественных водоемов - на рис. 49

 

ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЕ АППАРАТЫ НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ