2. Теплові насоси (тн) і теплообмінники

Теплообмінники (ТО)

Найпростіші трубчасті ТО бувають прямоплинні і зворотноплинні (Рис. 6.3)

Рис.6.3 - Трубчастий зворотноплинний теплообмінник

Теплові насоси

Запаси теплової енергії в навколишньому середовищі практично невичерпні, але використати її з метою опалювання неможливо без штучного підвищення температури. Це можна зробити за допомогою теплового насоса. Тепловий насос (ТН) являє собою пристрій в якому здійснюється перенесення теплової енергії від середи з низькою температурою до середи, що має більш високу температуру. При цьому на роботу насоса затрачується зовнішня енергія: механічна, хімічна або електрична.ТН – це теплоперетворюючий пристрій, в якому існуюча температура теплоносія, підвищується до бажаного рівня за рахунок витрат механічної або електричної енергії.

Термодинамічні основи ТН

ТН перетворюють природну низькопотенційну теплоту і теплові відходи в теплоту більш високої температури, придатну, зокрема, для теплопостачання.

Тепловим насосом прийнято називати пристрій, призначений для отримання теплоти на основі зворотного термодинамічного циклу.

Переваги теплового насоса перед іншими видами опалювання:

- відпадає проблема транспортування і зберігання палива (у варіанті з електроприводом), :

- економічно витрачаються природні енергетичні ресурси,

- повністю задовольняють умовам захисту навколишнього середовища від забруднень (у варіанті з електроприводом),

- надійні з точки зору протипожежної безпеки,

- в приміщеннях немає запахів продуктів згоряння палива.

Компресорний тепловий насос

Його ідею і термодинамічний цикл більше ста років назад запропонував англійський фізик В.Томпсон. Насоси цієї конструкції в наш час набули найбільшого поширення.

Вони працюють на обладнанні холодильних машин із зворотним рухом хладагенту. Хладагентом служить легкокип'яча рідина: фреон (частіше за все R-22) і аміак, яка має властивість випаровуватися при низькій температурі (наприклад, температура кипіння суміші фреонів R12 і R142 становить -50°С), а при підвищенні тиску перетворюється в рідину з високою температурою. Рух відбувається за допомогою компресора. Частіше за все використовується поршневий компресор.

Основними елементами теплового насоса є двигун Д, компресор 1, конденсатор 2, випарник 4 дросель (редукційний вентиль) 3, пов'язані системою трубопроводів для циркуляції робочого тіла. Сукупність теплового насоса і допоміжного обладнання: насоси, трубопроводи для підведення і відведення теплоносіїв (що охолоджується і що нагрівається) системи енергоживлення, контролю і регулювання, являє собою теплонасосну установку (ТНУ).

У тепловому насосі реагент реалізовує зворотний термодинамічний цикл, внаслідок якого забезпечуються безперервне відведення тепла від холодної середи і передача його середі з більш високою температурою (опалювальним приміщенням) за рахунок витрати роботи в компресорі.

Важливою характеристикою, що визначає ефективність роботи теплового насоса, є коефіцієнт перетворення φ:

(1)

де Т – температура джерела високої температури, К°;

Т₀ – температура джерела низької температури, К°;

∆Т – температурний інтервал термодинамічного циклу, К°. Теоретичний коефіцієнт перетворення – більше одиниці. Дійсний коефіцієнт перетворення теплового насоса - це відношення кількості отриманого тепла до затраченої роботи, або через потужність

(2)

де – теплопродуктивність теплового насоса, кВт,

– потужність електродвигуна компресора, кВт.

Ефективність теплового насоса залежить від температурного інтервалу термодинамічнго циклу .

Чим більше ∆Т, тим менше коефіцієнт перетворення, тому необхідно використати джерело низькопотенційного тепла з можливо високою температурою. За підрахунками фахівців Німеччини економічно оптимальною є різниця температур між джерелом низькопотенційного тепла і споживачем тепла в 35°С.

На основі техніко-економічних розрахунків, проведених в ФРН, можна стверджувати, що в порівнянні з котельною, компресорний ТН дає економію енергії біля 30%.

Останнім часом в технічній літературі ряду країн рекламуються ТН, робота яких заснована на термодинамічному циклі Стірлінга (названий на честь англійського винахідника двигуна зовнішнього згоряння) . Розрахунки і результати випробувань показали, що при порівняльних умовах роботи коефіцієнт перетворення ТН Стірлінга більш як на 30% вище, ніж у компресорних ТН інших типів.