Министерство
образования Республики Беларусь
БЕЛОРУССКИЙ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Факультет
технологий управления и гуманитаризации
Реферат
по теме:
«Тепловые
насосы»
Выполнили:
студенты группы 108121
Слайковская
Е.Г.
Дрозд Е.Д.
Минск 2012
Тепловые
насосы
Тепловой насос
- термодинамическая установка, в
которой теплота от низкопотенциального
источника передается потребителю при
более высокой температуре. При этом затрачивается
механическая энергия.
Большую перспективу представляет использование
тепловых насосов в системах горячего
водоснабжения (ГВС) зданий. Известно,
что в годовом цикле на ГВС расходуется
примерно столько же тепла, как и на отопление
зданий. Примером здания, в котором тепловые
насосы использованы для ГВС, является
многоэтажный жилой дом, построенный в
Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве
источника низкопотенциальной тепловой
энергии используется тепло земли и тепло
удаляемого вентиляционного воздуха.
Подробно эта система будет рассмотрена
ниже.
Источником низкопотенциальной тепловой
энергии может быть тепло как естественного,
так и искусственного происхождения. В
качестве естественных источников низкопотенциального
тепла могут быть использованы:
• тепло земли (тепло грунта);
• подземные воды (грунтовые, артезианские,
термальные);
• наружный воздух.
В качестве искусственных источников
низкопотенциального тепла могут выступать:
• удаляемый вентиляционный воздух;
• канализационные стоки (сточные воды);
• промышленные сбросы;
• тепло технологических процессов;
• бытовые тепловыделения.
Таким образом, существуют большие потенциальные
возможности использования энергии вокруг
нас, и тепловой насос представляется
наиболее удачным путем реализации этого
потенциала.
Ранее тепловой насос использовался в
первую очередь для кондиционирования
(охлаждения) воздуха. Система была способна
также обеспечить определенную отопительную
мощность, в большей или меньшей степени
удовлетворяющую потребности в тепле
в зимний период. Однако характеристики
этого оборудования стремительно меняются:
сейчас во многих странах Европы тепловые
насосы используются в отоплении и ГВС.
Такое положение связано с поиском экологичных
решений: вместо традиционного сжигания
ископаемого топлива - использование альтернативных
источников энергии, например, солнечной.
Для массового потребителя одним из наиболее
предпочтительных вариантов использования
нетрадиционных источников энергии является
использование низкопотенциального тепла
посредством тепловых насосов.
Существуют разные варианты классификации
тепловых насосов. Ограничимся делением
систем по их оперативным функциям на
две основных категории:
• тепловые насосы только для отопления
и/или горячего водоснабжения, применяемые
для обеспечения комфортной температуры
в помещении и/или приготовления горячей
санитарной воды;
• интегрированные системы на основе
тепловых насосов, обеспечивающие отопление
помещений, охлаждение, приготовление
горячей санитарной воды и иногда утилизацию
отводимого воздуха. Подогрев воды может
осуществляться либо отбором тепла перегрева
подаваемого газа с компрессора, либо
комбинацией отбора тепла перегрева и
использования регенерированного тепла
конденсатора.
Тепловые насосы, предназначенные исключительно
для приготовления горячей санитарной
воды, зачастую в качестве источника тепла
используют воздух среды, но равным образом
могут использовать и отводимый воздух.
Следует отметить, что постепенно увеличивается
предложение тепловых насосов класса
реверсивные "воздух-вода", чаще всего
поставляемых в комплекте с расширительным
баком и насосным агрегатом. По отдельному
заказу поставляется накопительный резервуар.
Такие насосы можно врезать непосредственно
в существующие водопроводные системы.
В Германии и других странах Северной
Европы распространены тепловые насосы,
которые используют тепло, содержащееся
в грунте. Диапазон тепловой мощности
разработанных моделей самый широкий
- от 5 до 70 кВт.
По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых
насосов, установленных в мире, только
около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано
в Европе. Совсем немного по сравнению
с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где
такое оборудование является основным
в обеспечении отопления жилого фонда.
В Соединенных Штатах насчитывается 13,5
млн. установленных агрегатов, а еще только
развивающийся китайский рынок достиг
уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение
Европы имеет свои причины, однако в последнее
время отношение к тепловым насосам меняется.
Примерная оценка числа тепловых насосов,
установленных в главных странах Сообщества
в жилом фонде, торгово-административных
и промышленных сооружениях, приводится
в табл. 1. Основную долю составляют страны
Южной Европы: Испания, Италия и Греция.
Цикл теплового насоса
Теплообмен между рабочим телом и источником
высокой температуры протекает при конечной
разности температур необратимо. В результате
такого теплообмена увеличивается энтропия:
(Sd - Sc) - (S2 - S3) = delta S
Площадь под процессом 4 - 1, характеризующая
количество подведенного тепла к рабочему
телу, равна площади е - 4' - 5 - к, следовательно,
процесс 5 - 4' характеризует убывание энтропии
окружающей среды:
(S1 - S4) - (S5 - S4') = delta S1 > 0
Степень термодинамического совершенства
этого цикла, как и в холодильном цикле,
характеризуется коэффициентом обратимости.
Для энергетической оценки цикла вводят
коэффициент преобразования (трансформации)
j = Q / L
j = E + 1
Если холодильная
машина работает по теплофикационному
циклу, то для энергетической оценки
этот цикл рассматривают как два:
цикл теплового насоса и цикл холодильный,
границей между которыми является температура
окружающей среды.
Примерная схема теплоснабжения с помощью
теплового насоса
Тепловые насосы могут применяться для
отопления зданий при круглогодичном
кондиционировании воздуха, горячего
водоснабжения и технологических нужд
различных предприятий. Однако использование
тепловых насосов должно быть экономически
обосновано.
Рис.2. Схема теплоснабжения с помощью
тепловых насосов.
Схема теплоснабжения с помощью тепловых
насосов показана на рисунке. Вода из отопительной
установки направляется в сетевой насос
СН и нагнетается им для подогрева в конденсаторы
К1 и К2, работающие по двухступенчатой
схеме и включенный последовательно по
сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени
К1 вода нагревается от температуры t2 до
некоторой промежуточной температуры
tпр. После этого вода направляется в конденсатор
второй ступени К2, где нагревается до
температуры t1. Далее вода входит в отопительную
систему, отдает тепло обогреваемым помещениям
и при температуре t2 вновь поступает в
теплонаносную установку.
Тепло от источника низкой температуры
(воды или воздуха) передается в испарителе
к кипящему рабочему телу, пар которого
при давлении Р0 направляется из испарителя
И в компрессор нижней ступени КМ1, где
сжимается до давления Рк1. После компрессора
КМ1, рабочее тело распределяется двумя
потоками. Один из них поступает в конденсатор
К1. Другой поток поступает в компрессор
КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора
КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор
К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной
температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора
К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор
К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток
конденсата поступает из конденсатора
К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.
Режим работы теплонаносной машины определяется
режимом работы отопительной системы.
При повышении наружных температур отопительного
сезона работает только компрессор нижней
ступени КМ1. При этом весь поток рабочего
тела после компрессора КМ1 поступает
в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель
до температуры t1. Теплонаносная машина
регулируется с помощью регулятора температуры,
воздействующего на дроссельный вентиль
Д1.
При более низких температурах наружного
воздуха включается в работу компрессор
КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование
работы установки в диапазоне температур
от tпр до температуры t1 осуществляется
с помощью регулятора температуры, воздействующего
на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя
ступень теплового насоса заменяется
электрическим нагревателем, что снижает
начальные затраты, но приводит к увеличению
расхода электроэнергии.
Для круглогодичного кондиционирования
в южных районах (отопление зимой, кондиционирование
воздуха летом) распространение получают
мелкие теплонаносные автоматизированные
агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом)
для обслуживания небольших одноквартирных
домов и отдельных комнат. Эти установки
очень компактны и используют наружный
воздух в качестве источника низкой температуры.
Реверсирование установки, то есть переход
с холодильного режима на теплонаносный
осуществляется изменением направления
потока рабочего тела. В мелких установках,
где в качестве дросселирующего органа
служит капиллярная трубка, изменение
потока жидкого рабочего тела не вносит
каких-либо затруднений в эксплуатацию.
История создания тепловых
насосов
По одной
из версий, первые разработки по созданию
тепловых установок, которые в качестве
источника тепла использовали низкопотенциальное
тепло земли, воздуха, воды, проводились
ещё в 1852г. лордом Кельвином.
Патент на
технологию тепловых
насосов
был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее
своё развитие теплонасосные установки
получили только в 20-х и 30-х годах XX века,
когда в Англии была создана первая установка
предназначенная для отопления и горячего
водоснабжения с использованием тепла
окружающего воздуха.
После этого
начались работы в США, приведшие
к созданию нескольких демонстрационных
установок. Одной из старейших ТН
систем можно считать здание Объедененной
штаб-квартиры освещения в New Haven, штат
Connecticut, которая работает начиная с 1930
года.
Первая крупная
теплонасосная установка в Европе была
введена в действие Цюрихе в 1938-1939 гг. В
ней использовались тепло речной воды,
ротационный компрессор и хладагент. Она
обеспечивала отопление ратуши водой
с температурой 60°С при мощности 175 кВт.
Имелась система аккумулирования тепла
с электронагревателем для покрытия пиковой
нагрузки. В летние месяцы установка работала
на охлаждение. В период с 1939 по 1945 года
было создано ещё 9 подобных установок,
с целью сокращения потребления угля в
стране. Некоторые из них успешно проработали
более 30 лет.
Толчок к
развитию системы ТН получили после
энергетических кризисов 1973 и 1978 годов.
В начале своего развития системы
ТН устанавливались в домах высшей
ценовой категории, но за счет применения
современных технологий тепловые насосы
стали доступны многим людям. Они
устанавливаются в новых зданиях
или заменяют устаревшее оборудование
с сохранением или незначительной
модификацией прежней отопительной
системы.
На сегодняшний
день, масштабы внедрения тепловых
насосов в мире ошеломляют. Ежегодно
количество производимых теплонасосных
установок увеличивается от 30 до 40%, а в
некоторых странах до 100%. Например, в США
ежегодно производится 1млн. тепловых
насосов, в Германии за 2004г. было продано
более 20тыс. установок, в Норвегии 48тыс.,
и т.д. По прогнозам Мирового Энергетического
Комитета к 2020 году доля тепловых насосов
в теплоснабжении составит 75% .
В нашей стране
ранее были сделаны попытки применения
тепловых насосов большой единичной
мощности, но ряд обстоятельств: низкое
качество, ненадежное программное обеспечение
и неудачное использование теплового
источника, не позволяли осуществить
правильную и надёжную работу теплового
насоса, хотя идея использования и
внедрения таких установок появилась
в 70х-80х годах. В это же время
в Российской Федерации наблюдается
тенденция роста объема поставок
тепловых насосов, из-за рубежа.
На мировом
рынке, всё чаще и чаще появляются
новые производители тепловых насосов,
выпускаются более усовершенствованные
модели, модернизируются устаревшие. Так
же в связи с ростом производителей, увеличивается
количество монтажных организаций, с каждым
днём набирающих всё больше и больше опыта.
Одной из таких компаний является ООО
«Терминал столица», получившее первый
опыт в Германии, успешно применяет его
в России.