Тепловые насосы
жүктеу/скачать 1.14 Mb.
|
| ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
http://www.soojuspumbaliit.ee/upload/editor/files/soojuspumpade_kasutuselevotu_dynaamika_Eestis_2010%281%29.pdf Тепловой насос – энергетическая установка, в которой тепло переносится с нижнего энергетического уровня, т.е. из среды с более низкой температурой ( наружный воздух, водоемы, поверхность земли), на верхний энергетический уровень, т.е. в среду с более высокой температурой (нагрев воздуха для нужд вентиляции, отопления в помещении, вода горячего водоснабжения). Для переноса этой теплоты в тепловом насосе используют электроэнерию извне (из сети) для совершения работы в термодинамическом цикле холодильной машины и собственно хладагент – для переноса теплоты. В зависимости от того, аккумулированная энергия солнечного излучения какой среды используется для извлечения тепла тепловым насосом, тепловые насосы классифицируются на: - геотермальные ( используется энергия солнечного излучения, накапливаемая поверхностью земли), - воздух-воздух (используется энергия солнечного излучения, содержащаяся в наружном воздухе), - воздух-вода (используется энергия солнечного излучения, аккумулируемая в грунтовых водах и водоемах – реках, озерах, морях).
В универсуме теплота произвольно передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. В теплонасосах же осуществляется обратный термодинамический процесс, на осуществление которого затрачивается энергия, количество которой относительно низкое. Так, 30% энергии забирается из электросети, а остальные 70% энергии забирается в зависимости от типа теплонасоса из поверхности земли, воздуха, воды. Тепловые насосы используют и в кондиционировании. В этом случае теплота переносится из охлаждаемой среды ( внутреннего воздуха в помещении, например) в среду с более высокой температурой ( окружающую среду). Поскольку тепловые насосы потребляют меньше энергии, чем другие виды отопления, то технология теплонасосов важна с точки зрения уменьшения выбросов парниковых газов: СО2, SО2, NОх в атмосферу. Хотя в общем случае степень загрязнения окружающей среды зависит в большой степени от того, как технологически была произведена электроэнергия, которую также используют теплонасосы. Понятно, что с точки зрения выбросов наименьшее влияние на окружающую среду оказывает использование гидро – и восстанавливаемых энергетических источников при производстве электроэнергии, чем сжигание на электростанциях каменного угля или сланца. Наиболее используемыми в качестве тепловых насосов являются парокомрессорные и абсосрбционные установки.
Парокомпрессорные теплонасосы состоят из четырех компонентов:
Все элементы системы соединены между собой в замкнутую схему, где циркулирует хладагент. П aur – пар aurusti – испаритель paisumisventiil – дроссельный вентиль vedelik – жидкость külm õhk/vesi – холодный воздух/вода soe õhk/vesi – теплый воздух/вода Рис. 1.1. Принципиальная схема парокомпрессорной установки. 1  -2 – сжатие пара в компрессоре,
2-3 – охлаждение перегретого пара в конденсаторе, 3-4 – конденсация пара в конденсаторе, 4-5 – расширение жидкости в дроссельном вентиле, 5-1 – испарение жидкостно-паровой смеси в испарителе
Температура хладагента в испарителе должна быть ниже, чем температура теплоисточника ( наружный воздух, вода), что обеспечивает перенос теплоты от теплоисточника к хладагенту. Вследствие этого хладагент наагревается и начинает испаряться, т.к. у него низкая температура кипения, и затем поступает в компрессор, где сжимается с повышением давления и температуры. В конденсаторе хладагент конденсируется с высвобождением теплоты, которая подается через теплообменники или вентилятором в систему отопления или на горячее водоснабжение. Хладагент пропускают через дроссельный вентиль, где он охлаждается и расширяется. Для работы компрессора потребляется электроэнергия из сети, иногда её производят в ДВС. Если в качестве привода используют ДВС, то кроме теплоты конденсации хладагента, дополнительно можно использовать теплоту жидкости системы охлаждения ДВС и теплоту выхлопных газов ДВС.
sisestav soojus – входящее теплота 1 aurusti – испаритель 2 absorber – абсорбер pump – насос 4 paisumisventiil – дроссельный вентиль generaator – генератор kuumuti – кипятильник väljastatav soojus – выходящая теплота 3 kodensaator – конденсатор Рис.1.3. Принципиальная схема абсорбционного теплонасоса В абсорбционных установках используют два вещества: абсорбат (хладагент) и абсорбент ( поглотитель, растворитель). Температура кипения абсорбента и абсорбата при одном и том давлении – разная. Основные пары веществ, которые используются в абсорбционных теплонасосах: - аммиак NH3 (абсорбат) и вода H2O ( абсорбент), - вода H2O (абсорбат) и абсорбенты NaOH, KOH или CaCl2. В абсорбционных системах происходит испарение абсорбата (хладагента) в испарителе. В абсорбере абсорбат смешивается с абсорбентом, вследствие чего выделяется теплота, которая передается потребителю. Насосом поднимается давление смеси абсорбата и абсорбента до его подачи в генератор. В генераторе происходит кипение смеси под воздействием внешнего теплового источника (наружный воздух, вода), вследствие чего абсорбат испаряется и его направляют в конденсатор. Пары абсорбата, конденсируясь в конденсаторе, выделяют теплоту, которая передается потребителю. А конденсат (сжиженный абсорбат) через дроссельный вентиль подается обратно в испаритель. 1.3. Тепловая эффективность тепловых насосов Н  а рис.1.4. представлены упрощенные принципиальные схемы тепловых (холодильных) машин.
Soojuspump – тепловой насос Külmutusseade – холодильная установка Soojuspump-külmutusseade – теплонасос-холодильная установка. A – теплоисточник, который отдает теплоту в цикл, B – теплоприемник, куда отводят теплоту из цикла, T0 – температура окружающей среды, К Ta – температура теплоисточника с более низкой температурой (наружный воздух, вода), К Tü – температура теплоприемника с более высокой температурой ( воздух в помещении, вода на горячее водоснабжение),К q1 – теплота, подводимая в процесс от теплоисточника, kJ/ kg q2 – теплота, отводимая из процесса к теплоприемнику, kJ/kg l – работа, затраченная в цикле, kJ/kg Тепловую эффективность теплонасоса оценивают тепловым к.п.д. ( СОР – coefficient of performance – коэффициент производительности). Теоретический тепловой к.п.д.: 
где q2 – теплота, отводимая из процесса к теплоприемнику, kJ/kg l – работа, затраченная в цикле, kJ/kg Тепловую эффективность холодильной машины оценивается холодильным к.п.д. Теоретический холодильный к.п.д.: 
ε0 – холодильный к.п.д. q1 – теплота, подводимая в процесс от теплоисточника, kJ/ kg l – работа, затраченная в цикле, kJ/kg Между тепловым к.п.д. теплонасоса и холодильным к.п.д. холодильной установки существует взаимосвязь: 
Тепловая или отопительная мощность теплонасоса: 
Qk – тепловая мощность теплонасоса, kW M – массовый расход хладагента, kg/s q2 – отводимое из процесса количество теплоты, kJ/kg Теоретическая электрическая мощность, необходимая для работы теплового насоса: 
N0 – теоретическая электрическая мощность, необходимая для работы теплового насоса, kW Qk – тепловая мощность теплонасоса, kW φ0 – тепловой к.п.д. теплонасоса Теоретическая тепловая мощность теплоисточника с более низкой температурой ( вода, воздух, земля), необходимая для работы теплового насоса: 
где Q0 – тепловая мощность теплоисточника с более низкой температурой, kW Qk – тепловая мощность теплонасоса, kW φ0 – тепловой к.п.д. теплонасоса Реальные термодинамические процессы в теплонасосе – необратимые по причине трения и теплообмена. Потери есть и при работе компрессора, эл.двигателей и т.д.. Отсюда следует, что действительный тепловой к.п.д. теплонасоса меньше теоретического: 
где:
φ – действительный тепловой к.п.д. теплонасоса φ0 – теоретический тепловой к.п.д. теплонасоса Изменение теплового к.п.д. СОР типового теплонасоса «воздух-воздух» в зависимости от наружной температуры воздуха представлено на рис. 1.5.: 
välisõhu temperatuur – наружная температура воздуха tasakaalupunkt – точка равновесия soojuspumba COP – тепловой к.п.д. теплонасоса При температуре наружного воздуха около +100С тепловой к.п.д. воздушного теплонасоса составляет около 3,3. Это означает, что на 1 kWh электроэнергии, потраченной на работу теплонасоса, тепловой насос производит 3,3 kWh тепла. При температуре наружного воздуха: – 80С тепловой к.п.д. насоса приблизительно равен 2,3.
Кроме того фирмами-установщиками тепловых насосов, которые являются членами ESPL, было установлено 18176 воздушных тепловых насосов, в том числе 1197 установок теплонасосов типа «воздух-вода». Общая электрическая установленная мощность теплонасосов на начало 2011года, которые установлены фирмами-членами ESPL, составляет 175,1 MW, которые по расчетным данным произвели около 490,0 GWH тепловой энергии из недр и поверхности земли, а также наружного воздуха, затратив на работу теплонасосов 163 GWH электроэнергии. По оценочным данным в Эстонии в период с 1993 по 2010 годы установлено около 47 500 тепловых насосов, из них геотермальных – около 6 000 штук, воздушных теплонасосов – 41 500 штук. Общая установленная электрическая мощность всех установленных в Эстонии теплонасосов составляет около 275 MW.
На рис. 17.6 представлены количества продаж теплонасосов в некоторых европейских странах в 2003 году. По данным EHPA в 2004 году объем продаж теплонасосов в Европе составил 208 000 штук. Сюда не включены теплонасосы- кондиционеры, объем продаж которых составил около 3 млн. штук. По сравнению с 2003 годом объем продаж теплонпсосов вырос на 30 %. Наибольший объем продаж тепловых насосов был отмечен в 2004 году в Швеции - около 100 000 тепловых насосов. В 2004 году объем продаж кондиционеров в мире достиг 59 млн экземпляров, из которых около 20 млн продано в Китае. Объем продаж кондиционеров в некоторых странах мира в 2004 году, млн штук:
В Щвейцарии устанавливают тепловые насосы уже в 40% новых застроек, цель – достичь 50 % установок в новых строящихся домах. В Швеции, которая довольно хорошо оснащена тепловыми насосами, поставлена цель к 2010 году удвоить количество тепловых насосов. В Финляндии в 2003 году было установлено 4 000 тепловых насосов, к 2010 году финский союз теплонасосов прогнозирует установку 20 000 теплонасосов. П В начале 20 – го века холодильные установки стали применять для нужд кондиционирования в больших зданиях. В 1926 году Томасом Миджели был изобретен первое хлор-фтористое углеродное соединение CFC – фреоновый хладагент – R12. Промышленное производство фреоновых хладагентов началось в 1931 году.
- Низкая температура замерзания, которая предотвращает замерзание хладагента во время эксплуатации установки, - Высокая критическая температура. При необходимости теплонасос может снабжать потребителя высокотемпературным теплом. - Давление парообразования должно быть выше атмосферного давления. Это предотвращает подсос атмосферного воздуха в установку в аварийной ситуации. - Как можно более низкое давление конденсации при заданной температуре конденсации. Это позволит уменьшить механичесую прочность элементов установки.
- Высокий коэффициент теплоотдачи α, что позволяет уменьшить габариты теплообменника, - Низкая вязкость, которая уменьшает гидравлическое сопротивление при истечении хладагента, - Удовлетворительная растворимость друг в друге масла и хладагента, - Низкая растворимость в воде; вода может замерзнуть и забить сопла, - Инертность и стабильность. Не должен всупать в реакцию с металлами и устаревать в процессе эксплуатации. Требования безопасности: - Негорючесть ( не возгарается сам и не способстует возгаранию). - Нетоксичность и не должен оказывать раздражающее действие на организм (глаза, нос и т.д.). - Невзрывоопасность в смеси с кислородом воздуха. - Не истончать озоновый слой и не способствовать потеплению климата,т.е. не вызывать парникового эффекта. 1.4. Основные низкотемпературные теплоисточники (нижнего температрурного уровня) и использование их тепла Важным условием использования теплонасоса является подходящий теплоисточник нижнего темпертурного уровня. У идеального теплоисточника в период отопительного сезона должна быть высокая и стабильная температура, т.к. от этого зависит температура кипения хладагента в испарителе, подъем температуры в тепловом насосе, а также технические показатели насоса. Основные низкотемпературные теплоисточники – естественные теплоисточники, но также и тепловые выбросы некоторых технологических процессов. Температуры некоторых основных теплоисточников представлены в таблице 1.7.:
Наружный воздух, воздушные выбросы, тепло поверхности земли и грунтовые воды – основные теплоисточники для небольших установок теплонасосов, которые используются в домашних хозяйствах. Более мощные теплонасосы используют тепло морских, речных и озерных вод, тепло скальных пород и сточные воды. 1.4.1. Поверхность земли П  оверхность земли – большой акумулятор, который аккумулирует энергию прямо за счет солнечного излучения или косвенно – за счет тепла воздуха и дождевых вод. Тепло земли передается вертикально или горизонтально установленными коллекторами, что иллюстрируется рисунками 1.8. и 1.9.
Рис. 1.8. Система геотермального теплонасоса с горизонтальными коллекторами При установке коллекторов очень важна предварительная проработка и измерения. Для геотермальных тепловых насосов очень важна влажность и теплопроводность грунта, которые очень различаются в зависимости от местонахождения. От этих параметров зависит длина устанавливаемых коллекторов. При отсутствии надлежащих измерений и обследований может быть установлен более длинный коллектор, чем в действительности нужен. Таким образом увеличатся энергозатраты на перекачку теплоносителя в системе, а также инсталляционные затраты. Установка короткого коллектора повлечет за собой уменьшение отбираемого количества тепла, которое используется быстрее и температура которого снижается. Вследствие чего в компрессоре возникает пониженное давление, что может привести к остановке компрессора и низкой эффективности системы. 
Рис.1.9. Система геотермального насоса с вертикальным коллектором При прокладке земляных коллекторов рекомендуется соблюдать следующие правила: - на 1 м2 отапливаемой площади здания необходимо не менее 3 метров земляного коллектора, - на каждый 1 м2 отапливаемой площади здания необходимо 3,6 м2 свободной поверхности земли для прокладки коллектора. Отсюда следует, что одним существенным ограничением установки геотермальных теплонасосов с горизонтальной прокладкой коллектора является наличие необходимой площади свободного земельного участка. Обычно при горизонтальной прокладке (наиболее распространенной) оптимальная глубина прокладки коллектора составляет 1,2 ... 1,8 м. Трубы диаметром 25...63 мм устанавливают параллельными рядами на расстоянии 0,5 ...0,7 м и более. Тепловосприятие трубопровода во влажном грунте составляет 15...30 W/ m2. При вертикальной прокладке коллекторов, опускаются т.н. зонды в скважины глубиной 100...200 м. Тепловосприятие зондов зависит от свойств конкретного грунта. В таблице 1.8. указано тепловосприятие зондов в зависимости от типа грунта и его влажности:
Температура грунта на разных глубинах, прогрев грунта и остывание зависят от структуры слоев грунта. На определенной глубине температурные изменения в течении года изчезают. Для Эстонии температура грунта перестает изменяться на глубине около 18 m. 1.4.2. Поверхностные воды Поверхностные воды - воды рек, озер, моря. 
Рис. 1.10. Система теплонасоса, использующая тепло воды поверхностного водоъема. Реки и озера – хорошие теплоисточники, но у них одинаковый существенный недостаток. В летнее время температура поверхности воды выше, чем температура придонных слоев воды, а зимой – наоборот: в придонных слоях температура воды около 40С, а на поверхности – около 00С. Морскую воду в большинстве случаев используют крупные и средние установки теплонасосов. На глубине 25...50 метров температура морской воды постоянная и составляет 5...8 0С. Следует обратить внимание на коррозионную устойчивость элементов установки теплонасоса, особенно – теплообменников и насосов. Не исключено попадание в систему различного мусора из воды. Для отвода теплоты из теплоисточника существует два основных способа:
При первом способе зимой откачивают воду из придонных слоев, летом – из поверхностных слоев водоема. Обратно следует выпуск воды организовать в стороне от водозабора. При втором способе можно применять испарение хладагента непосредственно в коллекторе или использовать для циркуляции промежуточный теплоноситель. Диаметр труб обычно составляет 25...63 мм.
Для подачи грунтовых вод на поверхность используют скважины глубиной 10...30 м, но бывают скважины глубиной до 70 м. Обычно бурят две скважины на расстоянии 15...20 метров друг от друга. Из скважины вода перекачивается в расположенный у дома внешний теплообменник теплонасоса, в котором грунтовую воду охлаждают до температуры 3...4 0С и перекачивают обратно под землю или используют на месте в бытовых целях. Под землю охлажденную воду выпускают самотеком через другую скважину, которая должна располагаться ниже по горизонту, чтобы грунтовые воды не перемешивались. Производительность скважины должна отвечать необходимой тепловой мощности теплоисточника. В таблице 1.9 приведены данные по производительности скважины в зависимости от тепловой мощности теплоисточника, если средняя температура воды составляет 5 0С:
Рис. 1.11. Схемы скважин при использовании тепла грунтовых вод ( puurkaev – скважина, filtratsioonikaev – филтрационная скважина, veekogu - источник kaks puurkaevu – две скважины, ringlusskeem – схема циркуляции, kombineeritud skeem – комбинированная схема) Чем холоднее вода, тем больше увеличивается расход воды. Чтобы установка была экономичной, нужно строго следовать инструкции по установке. Качество воды возможно нормализовать дополнительным оборудованием. Установки, использующие тепло грунтовых вод, наиболее экономичные, поскольку температура теплоисточника стабильна круглый год. Использование грунтовых вод теплонасосами не влияет на качество грунтовых вод, потому что теплоту отбирают в замкнутых установках и материалы элементов установок ( трубы) используются пластмассовые или из нержавеющей стали. Также использование грунтовых вод не влияет на уровень горизонта, поскольку вода возвращается обратно в горизонт. Важно чтобы скважины были одинаковой глубины и находились в однм водоносном горизонте. 1.4.4. Наружный воздух Теплота отводится от наружного атмосферного воздуха. Основные типы воздушных теплонасосов: - «воздух-воздух» тепловой насос, - «воздух-вода» теплонасос.
- низкий коэффициент теплоотдачи воздуха к поверхности теплообменника, - опасность образования инея, что уменьшает коэффициент теплоотдачи еще более.
Основные теплоисточники выбросов: канализационные воды, промышленные стоки, оборотная охладительная вода промышленных процессов, вентиляционный воздух. Использование канализационных вод связано с техническими проблемами, т.к. количество стоков не является постоянным. Также возникают вопрос окупаемости установки теплонасоса, если потребитель находится на значительном растоянии от станции переработки сточных вод. Вентиляционный воздух используют в вытяжных системах – теплонасосах. Таким образом тепло вытяжного воздуха отдается приточному воздуху, т.н. система рекуперации воздуха. Преимущества системы вентиляции с теплообенником-регенератором: - постянно снабжает помещение свежим воздухом, - улучшает качество воздуха в помещении, - экономия электроэнергии за счет рекуперации, - летом работает как кондиционер, - поддерживается нормированная влажность воздуха в помещении. К.п.д вентиляционных теплообменников, в % :
1 Рис. 1.13. Система регенерации с пластинчатым теплообменником. Использованный воздух удаляют через вытяжную систему (3). Вытяжной воздух проходит через фильтр (F1 ) и пластинчатый теплообменник (VV), затем его удаляют вентилятором (M2 ) в отверстие в стене или крыше. Забор приточного воздуха осуществляется через воздухозабор (1). Приточный воздух проходит через фильтр (F2) и теплообменник (VV ), где он подогревается за счет тепла вытяжного воздуха. Смешивание потоков приточного и вытяжного воздуха исключается плотной конструкцией приточного воздуха. Есть возможность догрева приточного воздуха, необходимость которого определяется ситемой электронного контроля температуры. Таким образом обепечивается необхожимая температура приточного воздуха, даже если температура наружного воздуха снижается. Выходящий из агрегата теплый приточный воздух направляется в шумоглушитель, прежде чем он будет раздаваться через плафоны по помещениям. жүктеу/скачать 1.14 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
ринципиальная схема паромпрессорной установки приведена на рис. 1.1., а на рис. 1.2. на ТS – диаграмме представлен её теоретический термодинамический цикл.
рогноз Эстонского союза установщиков теплонасосов был к 2010 году предполагал установку 1000 штук в год.
– наружный воздух, 2 – приток в помещение, 3 – вытяжка, 4 – выброс воздуха, М1 – приточный вентилятор, М2 – вытяжной вентилятор, F1 – фильтр вытяжки, F2 – фильтр притока, VV -регенератор, BT- термостат на отопление, OT- термостат притока, VE - калорифер догрева притока, VF - приточный калорифер, T1 - датчик температуры вытяжного воздуха после регенератора, T2 - датчик температуры внутреннего воздуха.