Двухступенчатый тепловой насос

Тепловые насосы для российских городов

А. А. Потапова, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Говорин, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Албул, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

Бурно развивающийся рынок тепловых насосов малой мощности (до 100 кВт) позволяет предположить возможность эффективного использования аналогичных устройств большой мощности – до 30 МВт и более. Их применение особо актуально в городах, где остро стоит проблема утилизации тепловых отходов, например, сточных вод. Немаловажными являются вопросы использования в тепловых насосах экологичных хладогентов.

Применение высокотемпературных тепловых насосов

Каковы перспективы применения мощных тепловых насосов для модернизации и развития систем теплоснабжения? Их преимущества по сравнению с маломощными тепловыми насосами заключаются в следующем:

  • более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);
  • меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;
  • более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

В нашей стране наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы с винтовыми компрессорами производят в Новосибирске (ЗАО «Энергия») тепловой мощностью 500–3 000 кВт (большая мощность достигается за счет объединения блоков по 500 кВт), с центробежными компрессорами – в Казани (НПО «Казанькомпрессормаш») тепловой мощностью до 8,5–11,5 МВт.

В мире наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы имеют тепловую мощность до 30 МВт с двухступенчатыми центробежными компрессорами.

Для теплоснабжения Стокгольма построена и работает станция тепловых насосов с 6 агрегатами общей мощностью 180 МВт. В качестве источника теплоты используется морская вода, в зимний период температура которой опускается до 2–4 °С. В Хельсинки и Осло работают тепловые насосы на сточных водах. В летний период они производят одновременно тепло для горячего водоснабжения и холод для кондиционирования крупных торговых и бизнес-центров.

Применение тепловых насосов большой мощности наиболее эффективно в крупных городах, где большие тепловые и холодильные нагрузки в течение длительного периода и где остро стоит проблема утилизации отходов, в том числе и тепловых, таких как сточные воды.

Тепловой насос на сточных водах

В качестве примера рассмотрим работу теплового насоса с двухступенчатым центробежным компрессором и промежуточным сосудом с тепловой мощностью 17 МВт. На рис. 1 представлена схема такого теплового насоса с температурой в испарителе 3,5 °С и 90,1 °С в конденсаторе. В качестве рабочего тела используется хладагент R-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан CH2F-CF3) с температурой 101,08 °С и давлением 40,603 бар в критической точке, не оказывающий влияния на озоновый слой.

Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса при использовании тепла сточных вод.

По результатам расчета теплового насоса [1] потребление электрической энергии на привод компрессора получилось равным Nэ = 7 075 кВт.

Коэффициент трансформации тепла, определяемый как отношение тепловой мощности компрессора к величине потребляемой им электрической энергии, получается равным 17 000/7 075 = 2,40.

Это немного, однако нужно учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе:

t = 90,1 – 3,5 = 86,6 °С, недоступный для большинства других типов тепловых насосов.

При подаче в испаритель охлаждаемой воды в летний период вместо сточных вод тепловой насос помимо тепла может производить холод для систем кондиционирования, при этом его холодопроизводительность будет равна Qисп = 10 073 кВт.

Тепловой насос на обратной сетевой воде

В статье [2] рассматривается возможность применения тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды в непосредственной близости от потребителей (на ЦТП, пиковой котельной и т. д.), которая возвращается на ТЭЦ из системы централизованного теплоснабжения.

Одним из важных достоинств такой тепловой схемы является снижение температуры обратной воды, что позволит повысить комбинированную выработку электроэнергии на ТЭЦ на тепловом потреблении. Это тем более актуально в связи с тем, что температура обратной сетевой воды постоянно завышается, чему есть много разных причин, и не только технических. В двух таких разных городах, как Краснодар и Красноярск, было отмечено превышение температуры воды в обратной линии систем теплоснабжения в зимний период над нормативной по тепловому графику на 5–8 °С.

Для сравнения был проведен расчет рассмотренного выше теплового насоса на тепле обратной сетевой воды. Было принято, что температура хладагента в конденсаторе равна тем же 90,1 °С, а в испарителе 40 °С. Часть сетевой воды, поступающая из обратного трубопровода системы теплоснабжения, направляется в испаритель, где охлаждается с 58 до 46 °С и затем возвращается на ТЭЦ. Вода из обратной линии внутреннего контура системы отопления локального потребителя, направляется в конденсатор теплового насоса и нагревается с 58 до 88 °С для возврата потребителю.

При тепловой мощности конденсатора 17 000 кВт потребление электрической энергии на привод компрессора составит 4 050 кВт, а коэффициент трансформации тепла соответственно будет равен 4,20.

При определении мест для установки и наиболее эффективной работы тепловых насосов в системе централизованного теплоснабжения необходимо определить приоритетную шкалу их энергетической и экономической эффективности. Для определения такой шкалы наиболее интересной представляется работа [3] , согласно которой тепловые насосы должны в первую очередь замещать электрические котлы и водогрейные котлы на органическом топливе и не снижать комбинированную выработку электроэнергии ТЭЦ на тепловом потреблении.

Перспективы применения высокотемпературных тепловых насосов для развития систем теплоснабжения Москвы

Создание крупных теплонасосных установок (мощностью до 100 МВт) для развития систем теплоснабжения города Москвы активно обсуждалось в конце 1970-х годов, однако, к великому сожалению, эта программа не была принята к реализации.

Мировой опыт развития крупной теплонасосной техники 1980–2000 годов полностью подтвердил их высокую энергетическую эффективность.

Для создания современных тепловых насосов большой мощности необходимо присутствие нескольких факторов: государственная программа целевого финансирования; законодательство, стимулирующее применение энергосберегающего и экологически чистого оборудования; уровень цен на энергетические ресурсы, вынуждающий потребителей внедрять энергосберегающую технику.

Другим вариантом (не альтернативным) является закупка зарубежного теплового насоса большой мощности для демонстрационного проекта теплоснабжения одного из районов Москвы.

В условиях относительно низких цен на природный газ эффективным может стать проект создания теплового насоса с газопоршневым и газотурбинным приводом и утилизацией тепла в котле-утилизаторе.

Также перспективным может быть применение абсорбционных тепловых насосов с газовым обогревом. В [4] показано, что при развитии систем теплоснабжения абсорбционные и парокомпрессионные тепловые насосы не должны противопоставляться друг другу, но нужно использовать лучшие качества каждого из них и находить такие комплексные решения, которые позволили бы получить максимальную выгоду от их совместного использования при производстве тепла и холода для кондиционирования.

Основным заказчиком для реализации тепловых насосов большой мощности может стать ОАО «МОЭК». Для реализации тепловых схем с тепловыми насосами на сточных водах и обратной сетевой воде в совместную работу могут быть вовлечены МГУП «Мосводоканал» и ОАО «Мосэнерго», что даст значительный энергосберегающий и экологический эффект для Москвы.

Создание экологичных хладагентов

Актуальной является проблема использования в тепловых насосах систем теплоснабжения хладагентов, не влияющих на озоновый слой и на глобальное потепление.

В 1990-е годы в России рядом институтов страны был выполнен большой объем работ по переводу промышленности на новый класс химических соединений взамен запрещенных озоноразрушающих веществ (ОРВ). В результате проведенных исследований предложена номенклатура новых хладагентов: гидрофторуглероды ГФУ R-134а,

Читайте также  Кавитационный тепловой насос

R-152a, R-125, R-32 и др. Основное отличие данных соединений от ОРВ – отсутствие в их молекулах атомов хлора и брома, которые могут участвовать в цикле разложения озона. Кроме нулевого значения озоноразрушающего потенциала (ODP) и величины потенциала глобального потепления климата (GWP) главным критерием при выборе заменителей ОРВ является близость физико-химических и эксплуатационных свойств к аналогичным характеристикам заменяемых ОРВ. Основные свойства хладагентов представлены в таблице.

В мире намечается тенденция активного использования хладагентов четвертого поколения, имеющих высокую эффективность, не влияющих на озоновый слой и оказывающих минимальное воздействие на глобальное потепление (рис. 2).

История развития хладагентов

На основе моделирования построена прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов (рис. 3), происходящих в тепловом насосе на новом хладагенте четвертого поколения R-1234ze(E) (тетрафторпропилене CF3CH=CHF). Из диаграммы видно, что двухступенчатая схема с промежуточным сосудом позволяет наиболее простым и надежным способом обеспечить высокотемпературный нагрев сетевой воды системы теплоснабжения [4]. Промежуточный сосуд действует как сепаратор фазы при промежуточном давлении после попадания туда парожидкостной смеси (поток 7 на рис. 1) и перегретого пара (поток 2) и является самым легким способом создания двухступенчатой системы (без риска попадания жидкости во вторую ступень компрессора с потоком 11). Дополнительное повышение эффективности дает переохлаждение хладагента в переохладителе (процесс 3–6), т. к. при этом повышается передаваемая потребителю тепловая нагрузка в конденсаторе (процесс 5–6) без увеличения расхода хладагента.

Прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого теплового насоса на хладагенте 1234ze(E) на сточных водах

Сравнение характеристик теплового насоса по коэффициенту трансформации тепла показывает, что для R-134а μ= 2,4 [1], для R-1234yf = 2,2, для

R-1234ze(E)μ = 2,6. Большее значение коэффициента трансформации для хладагента R-1234ze(E) во многом обусловлено большим значением критической температуры (см. таблицу).

* Смесь R-32/125/134a (23/25/52 %).

Потенциальный рынок для новых экологичных хладагентов – это полная замена всех ОРВ, переходных ОРВ, а также озонобезопасных хладагентов в тепловых насосах, в промышленных холодильных машинах и бытовых холодильниках, в системах кондиционирования зданий и автомобилей. В последующем новые материалы на основе фтора, не влияющие на глобальное потепление, могут найти применение для систем пожаротушения, производства пеноматериалов в строительстве и т. д.

Таким образом, необходимо найти новые хладагенты четвертого поколения с GWP

Поделиться статьей в социальных сетях:

Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №1’2011

распечатать статью —>

Лучшие тепловые насосы

Тепловые насосы необходимы для правильной работы водного, воздушного, геотермального отопления, которое в своих домах оборудует много людей. Популярность такой вид отопления получил благодаря очень высокому КПД, что сочетается с низкими затратами на эксплуатацию. Также он стал известен ввиду своей надежности, экологической безопасности, а также долгому сроку активной службы. Эффективность отопления во многом зависит от качества используемого оборудования. Специалисты портала vyborexperta.ru выбрали лучшие тепловые насосы и объединили их в одну категорию.

Производители тепловых насосов

Профессионалы выбирают комплектующие для отопления основываясь на том, какой компанией они были произведены. Репутация производителя помогает определить степень качества изделия. Это правило распространяется на насосы. Производители, товары которых представлены в рейтинге:

  • StiebelEltron – международное предприятие, основанное в 1924 году в Германии. Компания производит большое количество электрических приборов, водонагревательной, отопительной техники. Процедура изготовления проходит на высокотехнологичном производстве, позволяющем делать сложные, качественные комплектующие.
  • Daikin – японский производитель, работающий с 1924 года. Продукция бренда распространилась по большинству стран мира. Компания крупными объёмами изготавливает передовое нагревательное/отопительное оборудование. В её ассортименте присутствует много эффективных моделей насосов.
  • Cooper&Hunter – компания, созданная в результате объединения трёх небольших производителей кондиционного оборудования в 1916 году. На данный момент продукция американского бренда пользуется признанием во всём мире: аппараты используются для оборудования тепловых систем в бытовых, офисных, производственных помещениях.
  • Gree Electric – самый крупный производитель кондиционеров и отопительного оборудования в Китае. Изготавливает товары всех типов, от бытовых до промышленных. Известен производством многофункциональных аппаратов, обеспечивающих эффективное и экономное отопление.
  • Mitsubishi – японский конгломерат с более чем полуторавековой историей. Включает сразу несколько компаний, производящих высокотехнологичные решения для различных сфер жизни, известна производством автомобилей. Но кроме них изготавливается и огромное множество другой техники.
  • Fairland – компания, основанная в 1999 году. Она очень быстро смогла получить мировую известность благодаря производству отопительного, кондиционного, бассейнового оборудования с внедрением инновационных технических, конструкционных решений.
  • Kitano – относительно молодой производитель, продукция которого появилась на российском рынке только в 2013 году. Производит воздушно-водяные тепловые насосы, рассчитанные на продолжительное использование. Устройства способны поддерживать комфортную температуру даже в самых холодных условиях.
  • Hitachi – компания, которая производит множество технологичных моделей оборудования для отопления и кондиционирования отоплений. Изготавливает универсальные аппараты, способные эффективно работать в любых типах помещений.
  • Panasonic – крупная японская машиностроительная корпорация,работает с 1918 года. Считается одним из самых крупных производителей бытовой техники с электронными приборами для дома. Среди разнообразных товаров можно найти и отопительное оборудование высокого качества.

Рейтинг тепловых насосов

При составлении рейтинга команда ВыборЭксперта комплексно проанализировала сразу несколько важных факторов. Основное внимание уделялось отзывам о тепловых насосах, написанным рядовыми пользователями, которые опробовали аппараты на практике и сложили объективное впечатление о них. Кроме этого, учитывалось и мнение профессиональных строителей, использующих насосы для оборудования отопительных систем в различных типах зданий.

Кроме мнения пользователей специалисты изучили технические параметры устройств. Популярнейшие модели проверялись на соответствие основным критериям, обязательным для комфортной и эффективной работы системы отопления. Учитывались следующие характеристики:

  • Мощность;
  • Строение;
  • Объём затрачиваемых на обогрев ресурсов;
  • Размерные показатели;
  • Эффективность работы;
  • Срок эффективной службы.

После скрупулёзного анализа самых популярных устройств был выделен список наиболее качественных и действенных насосов, установка которых обеспечит эффективное отопление внутри здания. Всего собралось 10 устройств, хорошо показавших себя при оценке по описанным критериям. Подборка разделена на несколько блоков, в которых представлены девайсы с разным типом функционала.

Классификация тепловых насосов воздух-вода

Тепловой насос «воздух-вода» является наиболее популярным на нашем рынке. Этому способствуют как самые низкие инвестиционные затраты, так и доступность воздуха как источника низкопотенциального тепла. К примеру, доля продаж воздушных тепловых насосов в европейских странах составляет около 70% от общего количества проданных тепловых насосов.

В данной статье мы рассмотрим основные типы тепловых насосов «воздух-вода», а также определим преимущества и недостатки каждого из них.

Классификация тепловых насосов «воздух-вода»

В первую очередь тепловые насосы «воздух-вода» разделяют на два основных типа:

  • Моноблочные
  • Сплит-системы

Моноблочные тепловые насосы в свою очередь можно разделить по варианту установки:

  • Внутренний монтаж
  • Наружный монтаж

Тепловые насосы сплит-системы еще разделают на два основных типа:

  • С разделением контура хладагента (фреонового контура)
  • С промежуточным теплообменником

Моноблочный тепловой насос внутренний монтаж:

Данный тепловой насос воздух-вода представляет собой моноблок с вариантом размещения в помещении. Для работы такой системы необходимо обеспечить воздуховоды для прокачки необходимого количества воздуха.

Преимущества:

  • Все компоненты теплового насоса расположены в помещении, и благодаря этому они защищены от неблагоприятных атмосферных явлений.
  • Отсутствие видимых компонентов не влияет на экстерьер здания.
  • Отсутствие риска заморозки системы.
  • Во время монтажа нет необходимости вмешиваться в контур хладагента (фреона).
Читайте также  Как работает тепловой насос для отопления дома?

Недостатки:

  • Необходимость организовывать большие отверстия в стенах котельной, что не всегда может подойти для реконструкции системы.
  • Все шумовыделяющие элементы находятся в помещении.

Моноблочный тепловой насос для наружного монтажа:

Наружный моноблок чаще других типов тепловых насосов применяется для реконструкции. Этому способствует отсутствие необходимости дополнительного места в топочной, а также работ по заправке фреона.

Преимущества:

  • Хорошо подходит для реконструкции, т.к. все элементы расположены в наружном блоке вне помещения топочной.
  • Источник шума находится так же за пределами помещения.
  • Во время монтажа нет необходимости вмешиваться в контур хладагента (фреона).

Недостатки:

  • Необходимость хорошей теплоизоляции труб от наружного блока к отопительному контуру.
  • Риск заморозки теплоносителя, особенно при перебоях электроэнергии, для борьбы с этим часто применят промежуточный теплообменник с незамерзающим теплоносителем, что снижает эффективность и увеличивает затраты.

Сплит-система с разделением контура хладагента (фреона):

Данный тепловой насос воздух-вода более всего напоминает классические сплит-системы, используемые для кондиционирования. Поэтому такие решения чаще всего предлагаются компаниями имеющие опыт работы с системами климатизации и холодильным оборудованием.

Преимущества:

  • Для монтажных компаний, имеющих опыт заправки кондиционеров, достаточно простой монтаж.
  • Нет риска заморозки.
  • В здании устанавливается лишь небольшой блок, не требующий большого пространства в топочной.
  • Основной источник шума находится за пределами помещения.

Недостатки:

  • Необходимость вмешательства в контур хладагента (фреона), что может стать проблемой для компаний, имеющих опыт только в установке традиционных отопительных систем.
  • Возникновение дополнительных теплопотерь в контуре хладагента и необходимость хорошей теплоизоляции труб.
  • Необходимость наличия места непосредственно возле топочной для монтажа внешнего блока.

Сплит-система с промежуточным теплообменником:

Этот вариант теплового насоса воздух-вода является результатом применения геотермального теплового насоса с использованием воздуха в качестве источника низкопотенциального тепла. Такие тепловые насосы еще называют универсальными, т.к. к ним можно применить любой из источников энергии, а иногда даже два в комбинации.

Преимущества:

Во время монтажа нет необходимости вмешиваться в фреоновый контур.

Нет риска заморозки системы.

Недостатки:

Необходимость наличия дополнительного места в топочной.

Самые большие капитальные вложения сравнительно с другими типами тепловых насосов.

Для вашего удобства и примерного понимания эффективности теплового насоса, мы создали специальный онлайн калькулятор, который, благодаря температурным данным NASA и нашей математической модели, способен рассчитать точную стоимость 1 кВт*ч тепловой энергии при использовании насоса в любой точке мира.

Тепловые насосы

Ballu BSUI-09HN8

До 25 кв. м. Обогрев до -20 °C.

Ballu BSUI-12HN8

До 35 кв. м. Обогрев до -20 °C.

Cooper&Hunter CH-S09FTXLA-NG

До 25 м.кв. Обогрев до -25 °C.

Cooper&Hunter CH-S09FTXN-NG2wf

До 25 м.кв. Обогрев до -25 °C.

Gree GWH09QB-K3DNC2G

Рейтинг ★★★★★ До 25 м.кв. Обогрев до -22 °C

Cooper&Hunter CH-S12FTXLA-NG

До 35 м.кв. Обогрев до -25 °C.

Cooper&Hunter CH-S12FTXN-NGwf

До 35 м.кв. Обогрев до -25 °C.

Gree GWH12QC-K3DNC2G

Рейтинг ★★★★★ До 35 м.кв. Обогрев от -22 °C

Cooper&Hunter CH-S09FTXN-PW

До 25 м.кв. Обогрев до -28 °C. Нет в наличии

Cooper&Hunter CH-S09FTXN-PS

До 25 м.кв. Обогрев до -28 °C. Нет в наличии

Cooper&Hunter CH-S12FTXN-PW

До 35 м.кв. Обогрев до -28 °C. Нет в наличии

Cooper&Hunter CH-S12FTXN-PS

До 35 м.кв. Обогрев до -28 °C. Нет в наличии

Ballu BSUI-18HN8

До 55 кв.м. Обогрев до -20 °C.

Cooper&Hunter CH-S09FTXTB2S-NG

До 25 м.кв. Обогрев до -30 °C.

Cooper&Hunter CH-S09FTXAM2S-WP

До 25 м.кв. Обогрев до -30 °C.

Cooper&Hunter CH-S18FTXN-NGwf

До 50 м.кв. Обогрев до -25 °C.

Cooper&Hunter CH-S18FTXLA-NG

До 50 м.кв. Обогрев до -25 °C.

Gree GWH18QD-K3DNC2G

Рейтинг ★★★★★ До 50 м.кв. Обогрев до -22 °C

Cooper&Hunter CH-S12FTXTB2S-NG

До 35 м.кв. Обогрев до -30 °C.

Ballu BSUI-24HN8

До 70 кв. м. Обогрев до -20 °C.

Cooper&Hunter CH-S12FTXAM2S-WP

До 35 м.кв. Обогрев до -30 °C.

Electrolux EACS/I-09 HVI/N3

До 25 кв.м. Обогрев до -30 °C.

Cooper&Hunter CH-S09FTXAM2S-GD

До 25 м.кв. Обогрев до -30 °C.

Cooper&Hunter CH-S09FTXAM2S-BL

До 25 м.кв. Обогрев до -30 °C.

Тепловые насосы воздух-воздух в Москве

Предлагаем недорогие и гарантированно качественные тепловые насосы воздух-воздух в Москве и Московской области, с доставкой и монтажом. Тепловые насосы воздух-воздух, это кондиционеры, адаптированные для энергоэффективной работы на обогрев помещений при низких температурах. Отопление помещений посредством тепловых насосов, является самым экономически выгодным после газового отопления, так как насос не производит тепло при помощи нагревательных элементов. Производство тепла происходит за счет теплообмена. Принцип схож с производством кондиционерами холода, с той лишь разницей, что наружный и внутренний блоки при помощи перенаправления клапаном хлад агента меняются функциями. По техническим характеристикам тепловые насосы разделяются на несколько уровней адаптации к низким температурам и варьируются в диапазоне от -25°C, до — 40°C. Если обогрев помещения требуется только в межсезонье, и достаточно возможности работы «на тепло» до -15°C, рекомендуем рассмотреть значительно менее затратный вариант, это инверторный кондиционер с функцией оттайки наружного теплообменника. Узнать в каких моделях присутствует данная функция можно у менеджера по телефону.

  • Видео
  • Подробнее о тепловых насосах
  • Видео
  • Подробнее о тепловых насосах

Видео

Подробнее о тепловых насосах

Что такое тепловой насос воздух-воздух

Использование современного тепло насоса «воздух-воздух» позволяет получать тепло для эффективного обогрева помещения прямо из атмосферы. При этом во время работы такого оборудования не сжигается никакого топлива, что очень выгодно с экономической стороны. Да, сегодня это реально, но главное правильно выбрать устройство по техническим параметрам и доверить его монтаж лицензированным специалистам.

Конструкция и принцип действия

Внешне тепловой насос серии «воздух-воздух» напоминает классическую сплит-систему или инверторный кондиционер. Он имеет внешний, а также отдельный внутренний блок. При этом принцип работы оборудования больше похож на бытовой холодильник, который действует наоборот. Важно, что тепловой насос может не только охлаждать, но и нагревать воздух. Он берет низко потенциальную тепловую энергию непосредственно из атмосферы. Получить её можно, даже если за окном мороз.

Конструкция теплового насоса включает:

  • компрессор;
  • расширительный клапан;
  • конденсатор, оснащенный вентилятором;
  • медные трубки, по которым перекачивается фреон;
  • испаритель со встроенным мощным вентилятором.

Компрессор, расширитель и клапан расположены во внешнем блоке, тогда как конденсатор – во внутренней.

Принцип работы заключается в следующем:

  1. Воздух из атмосферы втягивается вентилятором и пропускается через рёбра испарительной конструкции. Фреон, постоянно циркулирующий по медным трубкам, вбирает в себя внешнюю тепловую энергию и благодаря этому переходит в газообразное состояние.
  2. В конденсаторе газ сжимается и перекачивается уже в помещение, то есть во внутренний блок оборудования.
  3. Во внутреннем конденсаторе газ снова становится жидкостью, а выделяемое при этом тепло отдается в воздух, обогревая комнату.
  4. Излишнее давление сбрасывается при помощи расширительного клапана.

Поскольку фреон всегда холоднее, чем относительная температура окружающей среды, то он способен забирать тепло прямо из атмосферы. Эффективность работы теплового насоса снижается лишь при сильном морозе. Для повышения КПД устройства зимой его оснащают собственной системой оттаивания.

Парокомпрессионные тепловые насосы

Работа парокомпрессионных тепловых насосов основана на принципе последовательного осуществления процессов механического сжатия и расширения рабочего тела. С целью организации подвода и отвода теплоты при условиях, близких к изотермическим, в ТН используются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние. В этих случаях в ТН осуществляется цикл, имеющий сходство с обратным циклом Ренкина. Такие насосы, работающие с изменением агрегатного состояния рабочего тела, называют парокомпрессионными.

Читайте также  Геотермальные тепловые насосы отопления дома

На рис. 4.2 представлена принципиальная схема установки, работающей по парокомпрессионному циклу. В качестве внешнего источника энергии, приводящего в действие компрессор, в большинстве случаев используется электрическая энергия. Замкнутая герметичная система ТН заполнена рабочим телом, в качестве которого в диапазоне температур 0. 80 °С наиболее применимы хла- доны R12, R142, RC318, R114 и аммиак.

В цикле работы ТН рабочее тело претерпевает следующие изменения состояния. От источников с низкой температурой в испаритель подводится теплота, которая в изотермическом процессе при давлении рИ Т обеспечивает фазовый переход рабочего тела из капельного в парообразное состояние. В Г—5-диаграмме этот процесс изображается линией 5—1, а удельный тепловой поток графически определяется площадкой 65176 под линией процесса.

Из испарителя пар поступает в компрессор, где сжимается от давленияр до давления р2 с повышением температуры от Т до Т2. Этот процесс изображается адиабатой 1—2 и осуществляется с затратой удельной внешней работы /, определяемой площадкой 84321568.

Перегретый пар с давлением р2 по циркуляционному трубопроводу поступает в конденсатор, где в изобарном процессе охлаждается и конденсируется с понижением температуры до Т2 и выделением удельной теплоты конденсации q2. Теплота конденсации поступает потребителю. Процесс изображается линией 2—3—4, а удельный поток теплоты, отводимой от конденсатора, — площадкой 723487.

В капельном состоянии рабочее вещество проходит через дроссельное устройство, где в необратимом процессе его давление по

Рис. 4.2. Идеальный цикл парокомпрессионного теплового насоса: а — принципиальная схема; б — круговой процесс на Г—5-диаграмме; 1 — испаритель; 2 — компрессор; 3 — конденсатор; 4 — дроссельный

нижается дор. Соответственно давлению снижается температура насыщения до Т. На Т— s-диаграмме это процесс показан штриховой линией 4—5.

Эффективность работы парокомпрессионного ТН определяется коэффициентом преобразования

где h, /?2, h5 — значения энтальпии, снимаемые непосредственно с фазовой диаграммы рабочего тела, кДж/кг.

Рассмотренный цикл существенно идеализирован. Замена расширительной машины (детандера) дроссельным устройством, ограничения, связанные с необходимостью сжатия только сухого пара, не позволяют учитывать необратимость остальных процессов и отличный от 100 % КПД элементов установки. Так, потери при сжатии связаны с трением в компрессоре и недостаточным охлаждением рабочего тела, не позволяющими компенсировать увеличение энтропии. Потери давления в конденсаторе и испарителе при прохождении через них потока рабочего тела требуют его восстановления, что связано с дополнительной работой компрессора. Существенно необратимым является и процесс дросселирования.

Необратимость процессов, происходящих в ТН в результате тепловых, механических и электрических потерь, существенно снижает реальный коэффициент преобразования. В действительности он в несколько раз меньше идеального. Для предварительной оценки энергетических показателей ТН можно воспользоваться следующей эмпирической формулой:

где (рд — действительный коэффициент преобразования; ге = /(гр, Лм> Лэл) — коэффициент, учитывающий необратимые потери; гр, Лм> Лэл — соответственно индикаторный, механический, электрический КПД.

Для ориентировочного расчета ТН при использовании крупных турбокомпрессоров значение коэффициента г|е, учитывающего необратимые потери, может быть выбрано в зависимости от тепловой мощности ТН. Если его мощность равна от 200 до 1000 кВт, то ге = 0,45. 0,55; если от 1000 до 3000 кВт, то ге = 0,55. 0,60 и при мощности больше 3000 кВт Г|е = 0,60. 0,65.

Для поршневых компрессоров коэффициент преобразования срд следует выбирать по графику, приведенному на рис. 4.3, в зависимости от температуры кипения и конденсации рабочего вещества. Данный график построен по приближенной формуле В.С. Мартыновского и Л.З. Мельцера:

Для расчета действительных значений тепловой мощности ТН и его действительного коэффициента преобразования можно воспользоваться формулами и методикой расчета, приведенными в [9].

Одноступенчатый цикл работы парокомпрессионного ТН становится менее эффективным с ростом отношения давлений Р21 из-за увеличения потерь в компрессоре. При Р21 ^ 7 рекомендуется переходить на двухступенчатые и каскадные циклы.

В двухступенчатом ТН (рис. 4.4) парообразное рабочее тело сжимается последовательно в двух компрессорах К1 и К2 с невысокими значениями отношения р^Рх- Тепловой поток подводится к рабочему телу в испарителе первой (нижней) ступени, а отводится к нагреваемому теплоносителю сначала на участке конденсации первой

Рис. 4.3. Графики зависимости действительного коэффициента преобразования от температуры кипения t2 и температуры испарения t рабочего тела

Рис. 4.4. Схема (а) и круговой процесс (б) двухступенчатого ТН ступени ТК1, затем на участке охлаждения перегретого пара рабочего тела, после чего — в конденсаторе второй ступени ТК2. Конденсат рабочего тела из второй ступени отводится через дроссель Д2 в зону конденсации ЗК. Разделение конденсаторов на участки позволяет повышать температуру нагреваемого теплоносителя и снижать потери эксергии вследствие необратимости теплообмена. Дросселирование рабочего тела в обеих ступенях сопровождается меньшими суммарными потерями эксергии, чем в одноступенчатом ТН, работающем в том же температурном интервале. Эксергетические преимущества двухступенчатого ТН определяются также снижением потерь эксергии в компрессорах.

Двухступенчатый ТН может найти применение в системах отопления. Обычно при проектировании систем отопления с использованием ТН большое значение имеет выбор покрытия пиковой части нагрузки, которая обеспечивается котельными или электроотоплением. Обойтись без дополнительной котельной можно при использовании схемы двухступенчатого ТН, теплопроизводитель- ность I ступени которого выбирается в пределах 0,50. 0,75 от максимальной отопительной нагрузки.

На рис. 4.5 приведен пример зависимости отопительной нагрузки от наружной температуры. При максимальной тепловой нагрузке требуется и максимальная температура теплоносителя в системе отопления. Поэтому ТН должен обеспечивать максимальную температуру теплоносителя при максимальной трансформации

Рис. 4.5. График зависимости отопительной нагрузки от температуры

наружного воздуха теплоты. Расход энергии на привод компрессора одноступенчатого ТН в этом случае превышает расход при средней отопительной нагрузке в 3—4 раза. По этой причине отопление является неблагоприятной нагрузкой для ТН, если их установочная мощность рассчитана на максимальную нагрузку.

Режим работы ТН определяется режимом работы системы отопления. Распределение отопительной тепловой нагрузки между ступенями может быть выполнено так, как показано на рис. 4.5. Максимальная тепловая нагрузка I ступени равна половине максимальной отопительной нагрузки. Максимальная тепловая нагрузка II ступени равна всей максимальной отопительной нагрузке.

При отопительной нагрузке, равной 50 % от максимальной, работает только I ступень ТН. С понижением температуры наружного воздуха и возрастанием тепловой нагрузки выше 0,5Qmax включается в работу II ступень.

По мере повышения отопительной нагрузки уменьшается тепловая нагрузка I ступени и увеличивается тепловая нагрузка II ступени. При этом температура теплоносителя системы отопления повышается. При tH = -20 °С I ступень ТН отключается и работает только II ступень.

Каскадные ТН (рис. 4.6) представляют собой объединение двух или более ТН с различными рабочими телами. В конденсаторе ниж-

Рис. 4.6. Схема (а) и круговой процесс (б) каскадного ТН него цикла испаряется рабочее тело верхнего цикла, поэтому такой теплообменник называют конденсатором-испарителем. Преимущество каскадных ТН по сравнению с двухступенчатыми заключается в возможности преобразования теплоты в более широком диапазоне температур. Это достигается подбором для каждого цикла рабочего тела с характеристиками в требуемых пределах изменения температур. К недостаткам каскадных ТН относятся дополнительные потери вследствие необратимости процесса теплообмена между рабочими телами в конденсаторе-испарителе.

Каскадные ТН находят применение в случаях, когда для систем теплоснабжения необходимы более высокие температуры теплоносителя в теплообменнике-конденсаторе верхнего цикла.