Принцип работы и устройство теплового насоса

Тепловой насос — это машина, которая способна перенести тепло из более холодной среды (воздух, земля, вода из общей сети, промышленные стоки) в более горячую (вода, воздух) с целью отопления или охлаждения. Тепловые насосы переводят низкотемпературную энергию в высокотемпературную энергию и обратно.

Передача тепла производится рабочим телом — хладагентом (фреоном). Электрическая энергия тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора.

Принцип работы теплового насоса основывается на термодинамическом цикле Карно. Охлаждение и обогрев в тепловых насосах обеспечивается компрессионным циклом, то есть непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация — при высоком давлении и высокой температуре. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе — выделение «концентрированной» энергии в систему распределения тепла здания.

• 1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов (рисунок 2.1). Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
• 2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.
• 3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.
• 4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.
• 5. При прохождении хладагента через редукционный клапан — давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы — это экологически чистые компактные соле-водяные установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Теплонасосы оснащены циркуляционными насосами — как для контура рабочей жидкости, так и для водяного контура системы отопления. Для обеспечения оптимальной выработки тепла теплонасосы укомплектованы автоматизированной системой управления — при помощи датчиков температура в отопительной системе подстраивается под изменения наружной температуры.

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему.

Эффективность работы теплового насоса определяется соотношением полученной потребителями тепловой энергии к затраченной электрической и называется коэффициентом преобразования КОП. Основными параметрами, определяющими величину КОП являются температуры низкопотенциального источника (НИТ) и системы отопления или горячего водоснабжения. В качестве низкопотенциального источника теплоты может использоваться: речная и морская вода, грунтовые воды, вода очистных сооружений, технологические воды промышленности и непосредственно воздух и тепло земли.

Основными элементами теплового насоса являются: компрессор, конденсатор, испаритель, регулятор потока и клапан.

Компрессор теплового насоса всасывает парообразный хладагент, поступающий от испарителя, при низкой температуре и низком давлении, производит его сжатие, повышая давление, и направляет затем к конденсатору. В зависимости от условий работы теплового насоса, давление паров хладагента на выходе из компрессора может составлять 15 — 25 атм, а температура 70 — 90? С.

Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, который передает тепловую энергию от хладагента окружающей среде (воде или воздуху). Тепловая энергия, передаваемая хладагентом через конденсатор, складывается из тепла, поглощенного испарителем холодного контура, тепла, вырабатываемого компрессором при сжатии хладагента. Второй рабочей средой конденсатора помимо хладагента может служить окружающий воздух или жидкость.

Испаритель — теплообменник, который служит для охлаждения рабочей среды — воздуха или воды, то есть забирает энергию у низкопотенциального источника. Эти теплообменники подразделяются на испарители для охлаждения воды или жидкостей, содержащих антифриз, и для охлаждения.

Вентилятор обеспечивает обдув воздухом конденсатора и испарителя.

Регулятор потока служит для дозированной подачи жидкого хладагента из области высокого давления (от конденсатора) в область низкого давления (к испарителю).

Четырехходовый (реверсивный) клапан переключает направление потоков хладагента для изменения работы машины с режима обогрева на режим охлаждения и обратно.

В теплонасосной установке работают одновременно три независимых гидравлических контура: первый контур осуществляется в компрессоре за счет движения фреона; второй контур (низкопотенциальный) — связывает испаритель и низкопотенциальный источник теплоты (тепло грунта и т. д.); третий контур (высокотемпературный) — связывает конденсатор с системой отопления здания.

Тепловой насос осуществляет передачу внутренней энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой. Поскольку в соответствии со вторым основным законом термодинамики тепловая энергия без каких-либо внешних воздействий может переходить только с высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположным естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле.

Детально принцип действия парокомпрессионного фреонового теплового насоса (наиболее распространенного типа) проиллюстрирован на прилагаемой схеме (рисунок 2.1). В качестве промежуточного теплоносителя, посредника в передаче тепла от НПТ к ВПТ в тепловом насосе используют фреоны R12, R134a, R142 (последние два безопасные).

Рассмотрим работу ТН, следуя приведенному рисунку.

1 — испаритель; 2 — конденсатор; 3 — компрессор; 4 — электропривод компрессора; 5 — регулирующий клапан Структурная схема теплового насоса Компрессор сжимает газообразный фреон, поступающий из испарителя (с давления в P₂=3 атм до P₁=16 атм), обеспечивая его конденсацию (при 65 ⁰С) для достижения необходимой температуры нагрева ВПТ (до 60 ⁰С). При сжатии в компрессоре газообразный фреон нагревается (до 80 ⁰С). Эта работа (W) сжатия газа идет на повышение энергии фреона, циркулирующего в тепловом насосе.

Конденсатор (теплообменник) предназначен для конденсации паров фреона. В конденсаторе:

• — фреон охлаждается до температуры конденсации, отдавая часть тепловой энергии (Q₁);
• — дальнейшее охлаждение паров фреона (обратной водой системы отопления) приводит к его конденсации (сжижению). При конденсации выделяется тепло (Q₂). Полученную энергию (Q₁+Q₂) используют для нагрева воды (с 40 ⁰С до 60 ⁰С) в системе теплоснабжения.

В дросселе давление жидкого фреона снижается до давления (P₂=3 атм), при котором возможно испарение фреона в испарителе (при Т = 0 ⁰С).

В испарителе (теплообменнике) жидкий фреон испаряется (при Т = 0 ⁰С). Для испарения требуется энергия. Эта энергия (Е) отнимается у охлаждаемой артезианской воды, так как ее температура (8 ⁰С) выше температуры (0 ⁰С) кипящего в испарителе фреона. Пары фреона поступают в компрессор. Цикл завершен.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов — абсорбционный и, наиболее распространённый, парокомпрессионный. Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме представлен на рисунке 2.

• 1−2 сжатие в компрессоре
• 2−3 отвод тепла к потребителю
• 3−4 расширение через дроссель
• 4−1 подвод тепла от низкопотенциального источника.

Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН) и процесс в T-s диаграмме Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования энергии (КПЭ) теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 7, т. е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии.

Температурный уровень теплоснабжения от большинства типов распрастраненных тепловых насосов составляет 35−60°С. Однако при применении низкотемпературного теплоносителя с температурой порядка +30°С — +40°С и специальных хладоагентов (типа НТR -01) получен на выходе из конденсатора температурный уровень теплоносителя порядка до+85°С.

Теплонасосные установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2…2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. Применение теплонасосных установок — это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов, и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО₂ (парникового газа) в атмосферу. Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило, создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно из важнейших пересечений техники низких температур с энергетикой.

Теплонасосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города). Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3−4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Важнейшая особенность теплонасосных установок — универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.

Еще одно преимущество теплонасосных установок — широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Для сопоставления эффективности тепловых насосов и традиционных генераторов теплоты, например котельных, а также сравнения тепловых насосов разных принципов действия, например парокомпрессионного с приводом компрессора от электродвигателя и абсорбционного, потребляющего тепловую энергию, применяют обобщенный критерий — коэффициент использования первичной энергии К. Он определяется как отношение полезной теплоты теплового насоса к теплотворной способности израсходованного топлива (7 Гкал на 1 т условного топлива; 1 Гкал = 4,1868−10⁹Дж).

Парокомпрессионные тепловые насосы с приводом от теплового двигателя, например от газовой турбины или дизельного двигателя, оказываются более экономичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35%, при работе в составе теплового насоса может быть утилизирована и направлена в общий поток среды, нагреваемой тепловым насосом, большая част потерь, которые воспринимаются смазкой, охлаждающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате коэффициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 раза, а экономичность теплового насоса обеспечивается при Е > 2,0.

В тепловых насосах абсорбционного типа вместо компрессора с механическим приводом используют систему, которую называют «термокомпрессор». Ее преимущество — возможность использования тепловой энергии.