Холодильные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Над созданием первых холодильных машин работали многие изобретатели, инженеры и ученые. Английский физик и химик Бойль и немецкий физик Герике в конце XVII в. установили, что вода в разряженном пространстве испаряется при низких температурах. В 1777 г. Нерн показал, что в условиях вакуума вода замерзает, если удалять образующиеся водяные пары (пары поглощались серной кислотой). Эти открытия помогли англичанину Лесли построить в 1810 г. первую искусственную «ледоделку».

Практическое применение холодильные машины нашли только тогда, когда вместо воды были найдены более эффективные рабочие тела. В 1834 г. английский врач Перкинс построил холодильную машину, работающую на этиловом эфире. Применение этилового эфира позволило получить низкие температуры при давлениях кипения более высоких, чем при использовании воды. Машину Перкинса можно считать прообразом современной компрессионной холодильной машины. В нее входили все наиболее характерные для этих машин элементы: сосуд, где вследствие подвода тепла от внешней среды кипел эфир при низкой температуре, насос (компрессор), снимающий и направляющий пары эфира в змеевик, в котором при более высоком давлении и более высокой температуре происходила их конденсация. Сконденсировавшийся жидкий эфир через специальный дроссельный вентиль вновь направлялся в сосуд (испаритель), где кипел при низкой температуре. В 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфире. В 1872 г. Бой-лю был выдан патент на аммиачную холодильную машину. В 1881 г. Линде одновременно с Видхаузеном построил углекислотную машину. В 1845 г. американец Горри изобрел газовую - воздушную холодильную машину, работа которой была основана на том, что предварительно сжатый и охлажденный за счет окружающей среды воздух расширялся в специальной машине - детандере; при этом температура воздуха понижалась.

Несколько позже появились абсорбционные холодильные машины. В 1862 г. Карре предложил абсорбционную холодильную машину, основанную на поглощении пара аммиака слабым водоаммиачным раствором с последующим выпариванием аммиака из раствора при помощи источника тепла высокой температуры (горячие газы, пар и др.). В 1884 г. был запатентован принцип пароэжекторной холодильной машины: образовавшийся при низкой температуре пар отсасывается и сжимается за счет энергии струи пара того же вещества. Первая пароэжекторная холодильная машина была сконструирована Лебланом в 1910 г. Абсорбционная и пароэжекторная машины относятся к теплоиспользующим машинам.

Пельтье в 1834 г. открыл. Что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Дальнейшему развитию термоэлектрических холодильных машин в значительной степени способствовали работы академика А. Ф. Иоффе и других ученых и конструкторов.

Холодильные машины применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве для замораживания и хранения пищевых продуктов, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетических волокон, каучука, спирта и т. д.; для кондиционирования воздуха в цехах промышленных предприятий, в общественных и административных зданиях, в бытовых помещениях и т. д.; в горной промышленности при проходке неустойчивых грунтов; в рефрижераторном транспорте; в металлургической промышленности для термической обработки сталей и т. д.; в радиотехнике; при испытаниях промышленных изделий и во многих других случаях. В настоящее время преимущественно используются холодильные машины компрессионного типа. При наличии дешевых источников тепла высокой температуры применяют теплоизолирующие машины. Термоэлектрические холодильные машины находят применение в радиотехнике и в ряде специальных приборов.

1. Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения

Обычно холодильная машина переносит тело от источника, температура которого ниже окружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, - воде или воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или поддержания низких температур в определенном объеме - холодильной камере.

При помощи холодильной машины тепло можно перенести и к источнику, температура которого значительно выше окружающей среды. Это тепло можно полезно использовать, например, для отопления. В этом случае холодильную машину принято называть тепловым насосом.

По виду затрачиваемой энергии холодильные машины разделяют на компрессионные, теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию. В машинах первых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого рабочим телом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). В термоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потока электронов на атомы.

В зависимости от свойств и агрегатного состояния рабочих тел, при помощи которых осуществляются процессы, холодильные машины делятся на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего тела не изменяется.

Машина работает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температуры переносится к окружающей среде. В этом случае она служит для охлаждения или поддержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающей среды к источнику с более высокой температурой холодильная машина работает как тепловой насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится от источника низкой температуры к источнику с температурой выше окружающей среды, машина работает по теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения.

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. 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.

2. Принцип работы теплового насоса

Термодинамика тепловых насосов.

Введем следующие обозначения:

q2 - удельная теплота, отбираемая у холодного источника (низкопотенциальная теплота);

q1 - удельная теплота, передаваемая горячему источнику;

L - удельная работа, подводимая от внешнего источника;

Можно записать

q1=q2+L

Величина k=q1/L называется коэффициентом преобразования или отопительным коэффициентом цикла.

Принципиальная схема теплового насоса.



Низкопотенциальная теплота поступает в испаритель, где её воспринимает рабочее тело (хладагент). Рабочее тело поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода тепла хладагент превращается в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где повышается их давление и температура (вследствие сжатия). Т.е. в компрессоре подводится работа от внешнего источника. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают тепло в систему отопления (как следствие - конденсация паров хладагента). Завершением цикла является дросселирование хладагента. При этом его давление и температура снижаются до температуры низкопотенциального источника тепла.

Рассмотренный цикл в Т,s - диаграмме выглядит следующим образом:

Описанный парокомпрессионный цикл одинаков и для теплового насоса и для холодильной машины. Его часто называют обратным циклом Ренкина или, менее точно, просто циклом Ренкина.

Идеальный процесс теплового насоса является обратным процессом Карно. Но идеальные процессы невозможны. Коэффициент преобразования фактического процесса, совершающегося в тепловом насосе, с учетом потерь, будет меньше. По причине тепловых, механических и электрических потерь, а также, исходя из потребности в вспомогательной энергии, реально достижимый коэффициент преобразования меньше, чем q1/L . Для контрольного расчета можно брать коэффициент 0,5 (k = 0,5х q1/L). Температурная разница определяет коэффициент производительности.
Коэффициент преобразования в любом случае зависит от температурной разницы между источником тепла и системой распределения тепла: Чем меньше эта температурная разница, тем экономичнее работает тепловой насос. Поэтому имеет такое большое значение оптимальное планирование всей отопительной системы.

Источники низкопотенциальной тепловой энергии.

Тепловой насос предназначен для использования энергии, получаемой от источника тепла низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.

В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды.

Воздух.

Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла. Тем не менее тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:

* быстрым снижением мощности и производительности с падением наружной температуры;

* относительно большой разностью температур конденсации и испарения в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;

* энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование соответствующих вентиляторов.

В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя в диапазоне от 0 до 6 °С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.

Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.

Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий коэффициент производительности сокращается с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может существенно повысить общую эффективность.

Еще один источник тепла в жилых и торгово-административных сооружениях - отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или теплого воздуха для отопления помещений. В этом случае, однако, требуется постоянное вентилирование в течение всего отопительного сезона или даже целого года, если предусмотрено кондиционирование помещений в летний период. Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена возможность использования и отводимого вентиляционного, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами "воздух-воздух".

Воздух как универсальный теплоноситель используется в больших установках круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать температуру кипения рабочего тела, вследствие этого уменьшается степень совершенства теплонаносной установки. Данные испытания таких установок, использующих воздух в качестве источника тепла, свидетельствуют о том, что средний коэффициент m за отопительный сезон не превышает 2 - 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.

Вода.

Наиболее целесообразно применение отходов теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме того, используют также естественные горячие источники в курортных местностях.

Ввиду больших расходов употребление городской воды неэкономично. Однако водные источники из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру близкую к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.

Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.

Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации сточных вод.

Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток - чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она может приближаться к 0 °С). Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она может замерзать на стенках испарителя. По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы в целях предотвращения замораживания испарителя.

Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется в основном в средних и крупных системах. На глубине от 25 до 50 м морская вода имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом. Важно лишь использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.

Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение года температура. Основные ограничения здесь могут составлять расстояние транспортировки и фактические ресурсы, объем которых может меняться. Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.

Грунт.

Грунт применяют в качестве естественного источника тепла для зимнего отопления и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, причем выгодно используют его зонную аккумулирующую способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности.

Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника тепла, применяются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно). Могут использоваться: системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт; системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.

В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них "двойного" теплообмена (грунт - рассол, рассол - хладагент) и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.

Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих климатических условий конкретной местности. В силу производимого отбора тепла во время отопительного сезона его температура понижается.

В условиях холодного климата большая часть энергии извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В летний период под действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям. Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку здесь не задействовано радиогенное тепло земли, содержащееся в глубинных скальных породах.

Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод мало или нет совсем. Тогда нужно пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.

Рабочие тела холодильных машин и их применение.

Под рабочим телом, или холодильным агентом, понимают физическое тело, с помощью которого совершается отдельный термодинамический процесс или цикл. От характеристики рабочего тела зависит конструкция холодильной машины и расход энергии, поэтому при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические, физико-химические и физиологические свойства. В настоящее время наиболее распространенными рабочими телами являются аммиак, фреон, вода и воздух.

Фреоны - углеводороды, в которых водород полностью или частично заменен галоидами (галогенами), чаще всего фтором или хлором. Для фреонов ввиду большого числа их установлены сокращенные обозначения. Соединения без атомов водорода записываются для производных метана цифрой 1 (после общего обозначения "фреон" или ф), к которой прибавляют цифру, указывающую число атомов фтора, например фреон-12 для CF2Cl2 и фреон-13 для CF3Cl. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, обозначающей число атомов фтора, ставят соответственно цифры 11, 21, 31, например фреон-113 для C2F3Cl3. При наличии атомов водорода у дериватов метана к первой цифре, а для этана, пропана и бутана соответственно ко второй цифре прибавляют число, равное числу водородных атомов: фреон-21 для CHFCl2, и фреон-22 для CHF2Cl, фреон-351 для C4H4FC5. При замене атомов хлора атомами брома (CF3Br) применяют обозначение фреон-13В1. Существуют и другие классификации фреонов по химическому составу.

При внешних источниках с переменными температурами для уменьшения потерь в процессах теплообмена желательно иметь рабочие тела с переменными температурами кипения и конденсации. Такими свойствами обладают неазеотропные рабочие тела, представляющие собой смесь двух или нескольких веществ с различной зависимостью давления насыщения от температуры, например смесь фреона-11 и фреона-12.

Осуществление цикла теплового насоса в области температур выше окружающей среды вызывает повышение давления в системе. Поэтому рабочие тела для тепловых насосов выбирают таким образом, чтобы при высоких температурах конденсации обеспечивалось умеренное давление конденсации. Кроме того, рабочее тело должно обладать высоким значением объемной холодопроизводительности, а разность давлений конденсации и кипения не должна превышать допустимых пределов.

Рабочее тело не должно быть взрывоопасным и токсичным, особенно там, где тепловые насосы применяются для отопления общественных зданий.

В тепловых насосах с поршневыми компрессорами применяют фреон-12 и бромированный фреон Ф-12В1,который физиологически безвреден и не взрывоопасен. В турбокомпрессорных тепловых насосах большой теплопроизводительности применяют фреоны-11, 12 и 113. Наряду с чистыми рабочими телами применяют также и смеси рабочих тел, как например фреоны-142 и 142, 11и 12 и др.

Аммиак, фреон-12 и фреон-22 используются в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения до (- 30; - 40) °С. В настоящее время предпочтение отдается фреону-22, обладающему более высокой объемной холодопроизводительностью по сравнению с фреоном-12.

Фреон-12 применяют при высоких температурах конденсации, например в тепловых насосах, так как при одной и той же температуре конденсации давление конденсации у него ниже, чем у фреона-22.

Фреон-13 применяют для получения температур кипения до (- 80; - 100) °С. При этом для уменьшения необходимых потерь при дросселировании давление конденсации снижают за счет другой холодильной машины, работающей на рабочем теле среднего давления.

Фреон-11 ввиду его малой объемной холодопроизводительности применяют в турбокомпрессорах относительно малой мощности.

Неазеотропные смеси, в которых происходит интенсивное поглощение (адсорбция) пара одного компонента жидкой фазой другого компонента - абсорбента, применяют в абсорбционных холодильных машинах. Другие неазеотропные смеси, например смесь фреона-11 и фреона-12, используют в компрессионных холодильных машинах. В этих машинах применяют также азеотропные смеси 500 (73,8% по весу фреона-12 и 26,2% фреона-152а), 502 (48,8% фреона-22 и 51,2% фреона-115), 501 (75% фреона-22 и 25% фреона-12) и А1 (60% фреона-124 и 40% фреона-С318).

Вода как рабочее тело используется в пароэжекторных холодильных машинах ,где можно сжать большие объемы пара. Воздух является рабочим телом в газовых холодильных машинах.

Классификация тепловых насосов.

Учитывая сказанное ранее можно принять следующую классификацию тепловых насосов (ТН).

Признаки классификации	Содержание
Тип (принцип действия)	- парокомпрессионные (ПТН); - абсорбционные (АТН); - термоэлектрические (ТЭТН).
Схема	- моновалентные - только тепловой насос; - бивалентные - ТН с дополнительным источником теплоты.
ИНТ (источники низкопотенциальной тепловой энергии)	- наружный воздух; - поверхностные воды (реки, озера, моря); - подземные воды; - теплота грунта; - солнечная энергия; - сбросная теплота (канализационных стоков, охлаждающей воды предприятий, вентиляционного воздуха и др.).
Сочетания ИНТ и ИВТ	- воздух-воздух, воздух-вода; - грунт-воздух, грунт-вода; - вода-воздух, вода-вода.
Вид энергии	- электроэнергия; - топливо: природный газ, жидкое топливо, твердое топливо.
Тип привода	- электропривод (применительно к ПТН); - двигатели внутреннего сгорания (ПТН): бензодвигатель, дизельный двигатель, в том числе работающий на природном газе; - турбопривод (ПТН): паровая турбина, газовая турбина; - теплота от котельных на различных топливах (АТН); - теплофикационная вода, водяной пар низкого давления (АТН); - непосредственный газовый подогрев (АТН); - вторичные энергоресурсы производственных процессов (АТН).

ИНТ - источники низкопотенциальной тепловой энергии

ИВТ - источники высокопотенциальной тепловой энергии

3. Энергосбережение и теплонасоные технологии

холодильный машина тепловой насос

За счет преобразования низкопотенциальной теплоты вторичных ресурсов и природных источников в теплоту потребительских параметров тепловые насосы позволяют экономить 30-50% первичного топлива на теплоснабжение при своем достаточно высоком коэффициенте эффективности. Если сравнить приведенные затраты теплоснабжения с применением котельной на жидком топливе (гр. 1) и ТНУ (гр. 2), эффективность ТНУ наступает с третьего года эксплуатации. В некоторых случаях эффективность наступает уже со второго года.
Другим преимуществом систем теплоснабжения с тепловыми насосами является экологическая чистота. Поэтому внедрение тепловых насосов одновременно с экономией первичного топлива снижает физическое и химическое загрязнение окружающей среды, повышает уровень комфортности в помещениях, увеличивает экономичность и надежность работы технологического оборудования, сокращает потребление водных ресурсов и объемы сброса сточных вод.

Фирма Carrier разрабатывает кондиционеры с функцией теплового насоса, обеспечивающие максимальную эффективность при использовании не наносящих вреда окружающей среде хладагентов, уменьшая таким образом выбросы окиси углерода и сохраняя озоновый слой Земли. Используемые хладагенты полностью соответствуют положениям основных международных норм по защите окружающей среды.

ТНУ нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах. В общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют совмещенные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в режиме теплового насоса в холодный. В жилищно-коммунальном секторе -- автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты низкопотенциальных вторичных ресурсов, водооборотных систем с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. В связи с этим особенно интересен опыт, накопленный компанией Carrier в производстве энергоэффективного, бесшумного, компактного и безопасного для окружающей среды оборудования.

Для кондиционирования воздуха в жилых и общественных (офисных) помещениях наибольшее распространение получили кондиционеры сплит-систем. Кондиционеры сплит-систем состоят из внешнего блока (компрессорно-конденсаторного агрегата) и внутреннего блока (испарительного). В режим обогрева кондиционер включается при понижении температуры в помещении ниже заданной. При этом происходит реверсирование цикла, и теплообменник наружного блока играет роль испарителя. При кондиционировании нескольких соседних комнат могут использоваться модели, в которых к одному наружному блоку подключены несколько блоков, так называемые мульти-сплит-системы. Основным преимуществом таких кондиционеров является относительная простота конструкции, позволяющая получить достаточно низкую стоимость кондиционера при быстрой и легкой его установке.

Системы с чиллерами и фанкойлами позволяют обеспечить независимое регулирование одновременно в большом количестве помещений, например, в гостиницах, офисах и т.д. Чиллер -- это автономный агрегат, представляющий собой законченную холодильную машину, предназначенную для охлаждения или нагрева (в режиме теплового насоса) жидкости. Фанкойл -- неавтономный агрегат, устанавливаемый в помещении и включающий теплообменник с вентилятором, фильтр, пульт управления (встроенный или выносной). В качестве теплоносителя используются антифризы на основе воды. При этом предельное расстояние между чиллером и фанкойлом не лимитируется и определяется возможностями насосной станции и теплоизоляцией трубопроводов. Система с чиллерами и фанкойлами позволяет вводить здание в эксплуатацию, постепенно наращивая количество потребителей.

Кроме фанкойлов, в качестве потребителей могут быть теплообменники центрального кондиционера. Иногда несколько центральных кондиционеров обслуживают одно помещение больших размеров (театральный зал, закрытый стадион, производственный цех и т.п.). Центральные кондиционеры фирмы Carrier представляют собой агрегаты модульного типа, что позволяет конструировать системы различных конфигураций в соответствии с требованиями заказчика.

К перечисленным достоинствам разработанных тепловых насосов следует добавить функцию автоматического определения фактической температуры в помещении и поддерживания требуемой температуры. Все это задается с пульта управления. В режиме самодиагностики микропроцессор контролирует режим работы кондиционера, что облегчает работу сервисных служб при обнаружении некорректной работы климатической установки.

Известно, что в режиме обогрева происходит реверсирование цикла, и теплообменник наружного блока, например, сплит-системы, играет роль испарителя. При низкой температуре наружного воздуха уменьшается перепад между температурой кипящего хладагента и температурой окружающего воздуха. Количество передаваемого тепла, необходимого для кипения хладагента, уменьшается, и, соответственно, ухудшаются условия кипения хладагента. Как следствие снижается давление всасывания, падает производительность компрессора. Одновременно снижаются давление и температура конденсации, что приводит к уменьшению теплопроизводительности кондиционера. В этих условиях необходимо максимально оптимизировать обдув испарителя и конденсатора. Ручного регулирования режима работы установки в этом случае не требуется. Датчик температуры располагается таким образом, что он довольно точно замеряет температуру испарения в режиме охлаждения или температуру конденсации в режиме обогрева. Таким образом, микропроцессор всегда "знает" не только текущее давление испарения или конденсации, но и динамику изменения этих давлений, чтобы задать наиболее энергоэффективный способ передачи тепла.

Интеграция тепловых насосов фирмы Carrier в действующие системы теплоснабжения требует большого объема информации различного качества и степени детализации, выполнения различных компоновочных и конструктивных расчетов, решения технико-экономических задач.

ЗАО "Аэропроф" имеет опыт установки тепловых насосов фирмы Carrier и располагает расчетными программами по выбору климатических установок определенной категории (чиллеры, центральные кондиционеры, вентиляторы канального типа и т.д). Они представляют собой математическую модель, представленную в электронном виде, которая совмещена с базой данных в виде электронного каталога. Загружая в расчетную схему определенные термодинамические параметры, программа выбирает подходящий тип оборудования. С помощью таких программ можно не только с достаточной степенью точности выбрать климатическую установку, но и моделировать показания тепловлажностной обработки воздуха в зависимости от изменения внешних факторов.

4. Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов

Тепловые насосы могут применятся для отопления зданий при круглогодичном кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нужд различных предприятий. Однако использование тепловых насосов должно быть экономически обосновано.

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.

5. Мировой опыт применения тепловых насосов

Опыт использования тепловых насосов различен в разных странах и зависит от климатических и географических особенностей, уровня развития экономики, топливно-энергетического баланса, соотношения цен на основные виды топлива и электроэнергии, традиционно используемых систем теплоэнергоснабжения и др. При сходных условиях, с учетом состояния экономики России, зарубежный опыт следует рассматривать как реальный путь развития в некоторой перспективе.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.
Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт.

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано, в первую очередь, на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах получили наибольшее распространение воздухо-воздушные реверсивные ТНУ (теплонасосные установки), предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе получили большее распространение водо-водяные и водо-воздушные ТНУ. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое распространение СЦТ (системы централизованного теплоснабжения) привело к развитию крупных ТНУ. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются ТНУ с приводом от газового двигателя и АТН. Для Германии крайне важным является замена привозного топлива из нефти и снижение загрязнения окружающей среды. Поэтому широкое развитие получили ТНУ с электроприводом, а также от газовых дизельных двигателей.

Можно выделить США, ФРГ, Японию, Францию, Швецию, Германию, Данию и Швейцарию, в которых развитие ТНУ происходит особенно быстрыми темпами.

США в настоящее время эксплуатирует около 10 млн. ТНУ и из них 60% в ЖКС. Ежегодно вводится в эксплуатацию до 500 тыс. ТНУ. Более всего распространены реверсивные воздухо-воздушные ТНУ с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. ТНУ выпускают более 50 фирм, 30% вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают ТНУ.

Быстрыми темпами развиваются системы теплоснабжения жилых и общественных зданий с ТНУ "грунт-вода". Разработаны высокоэффективные технологии и технические средства отбора теплоты грунта. Действует эффективная система штрафов (за выброс CO2 при сжигании топлива) и поощрений за использование ИНТ в целях теплоснабжения.

Швеция с начала 80-х годов развитие ТНУ происходит очень интенсивно. Установлено более 200 тысяч ТНУ в основном с электроприводом, использующие различные источники теплоты. Для Швеции характерно использование крупных ТНУ тепловой мощностью около 30 МВт. В качестве низкопотенциальной теплоты используются, в основном, очищенные сточные воды, морская вода и сбросная вода промышленных предприятий. Среди этих ТНУ можно выделить такие крупные, как ТНУ в г.Мальме (40 МВт), г.Упсала (39 МВт), г.Эребру (42 МВт).Наиболее крупной ТНУ является Стокгольмская установка мощностью 320 МВт, использующая в качестве ИНТ воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду от 4 °С до 2 °С. Себестоимость тепла от этой установки на 20% ниже себестоимости тепла от котельных. Количество тепла, вырабатываемого теплонаносными установками в Швеции, уже составляет около 50% от потребного.

Япония, широко распространены воздухо-воздушные реверсивные ТНУ круглогодичного кондиционирования воздуха, единичной тепловой мощностью от 1,2 до 16,5 кВт. В эксплуатации находится несколько миллионов подобных ТНУ с водяными источниками теплоты. Построено несколько десятков ТНУ с тепловыми насосами с приводом от дизельных и газовых двигателей. Ежегодно выпускается около 3 млн. ТНУ (с учетом комнатных кондиционеров).

Германия, в эксплуатации находятся около 1 млн. ТНУ. Они используются в водяных системах отопления, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. В основном используются ТН с электроприводом. Кроме того, используются сотни ТНУ большой тепловой мощности с приводом от дизельных и газовых двигателей. В качестве источников теплоты используются воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и т.д. Крупные ТНУ работают, как правило, в СЦТ. Построено несколько десятков АТН единичной тепловой мощностью до 4 МВт.

В настоящее время в Германии выделяется самая крупная среди развитых стран государственная дотация из бюджета: за 1 кВт тепловой мощности, запущенного в эксплуатацию ТН, выплачивается 300 марок. И это при том, что по производству экономичных индивидуальных котлов на жидком и газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире.

Дания. Эксплуатируется более 40 тысяч ТНУ. Источниками теплоты служат грунт, вода и воздух. Используются крупные ТНУ тепловой мощностью до нескольких МВт. ТНУ имеют привод от газовых и дизельных двигателей и около 40% используются в СЦТ.

В Дании широко распространены установки для комбинированного производства тепла и холода на молочных фермах.

Швейцария. Она является одной из стран, в которых первые ТНУ были построены еще в 30-х годах. Сейчас в эксплуатации находится около 40 тысяч ТНУ, в основном небольшой тепловой мощности. Построены крупные ТНУ для работы в СЦТ. Самой крупной из них является ТНУ в г. Лозанне тепловой мощностью 7 МВт с электроприводом. Строятся около десяти ТНУ с приводом от ДВС. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматривается увеличить за три ближайших года производство тепла тепловыми насосами до 2250 ГВтЧч, т.е. втрое выше существующего уровня. В реализации этой программы выделяются значительные дотации.

Структура действующего парка ТН по тепловым мощностям в разных странах сильно различается. Если для Японии средняя мощность ТН, по видимому, не превышает 10 кВт, то в Швеции она приближается к 100,0 кВт.

Тепловая мощность мирового парка ТН по минимальной оценке составляет 250 тыс. МВт, годовая выработка теплоты 1,0 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. т.у.т. Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения ТН.

6. Опыт применения тепловых насосов в Республике Беларусь

В Беларуси вопросы применения тепловых насосов начали рассматриваться еще в 1975 году, а активизировались только с 1991 года в рамках республиканской научно-технической программы "Энергосбережение" и по отраслевым программам экономии топливно-энергетических ресурсов.

В рамках конференции “Энергосберегающие системы инженерного обеспечения жилища и энергоэффективная бытовая техника” тепловым насосам было посвящено выступление инженера ЗАО "Аэропров" Д.А. Каракина. Г-н Каракин познакомил присутствующих с устройством этой инженерной системы, ее техническими характеристиками и экономическим эффектом, которого можно достичь используя теплонасосы.

Тепловые насосы представляют собой компактные агрегаты, конструктивно аналогичные холодильным машинам. Основные их элементы -- компрессор, испаритель, конденсатор, терморегулирующий вентиль. Может присутствовать микропроцессор, управляющий режимом работы установки. Тепловой насос совместно с гидравлической обвязкой (насосами, теплообменниками, запорной арматурой) иногда называют теплонасосной установкой (ТНУ).

В качестве конкретных примеров применения тепловых насосов в Республике Беларусь назовем внедрение систем утилизации теплоты оборотной воды на Борисовском заводе пластмассовых изделий, сточных вод промывных ванн на Минском заводе им. СИ. Вавилова, вытяжного воздуха трансформаторного зала на станции метро «Тракторный завод» Минского метрополитена, водопроводной воды для теплообеспечения водонасосной станции Дзержинского района и т.д. Использующие теплоту наружного воздуха тепловые насосы «воздух - вода» (срок окупаемости - 2-4 года) предполагается устанавливать на свободных площадках котельных, тепловых пунктов и узлов системы теплоснабжения для обеспечения бесперебойного горячего водоснабжения жилых районов в летний и переходные периоды года. Предусматривается широкое применение тепловых насосов для теплоснабжения прачечных, физкультурно-оздоровительных комплексов, жилых районов за счет утилизации теплоты загрязненных сточных вод.

Заключение

В качестве итога можно сказать, что теплонасосные технологии действительно являются очень эффективным методом энергосбережения. Использование тепловых насосов в отопительных целях позволило бы снизить затраты на импортное топливо и повысить эффективность энергосистемы. В нашей стране данная технология еще не нашла широкого применения. Это связано с климатическими особенностями региона. Использовать атмосферный воздух в качестве ИНТ в наших условиях не эффективно (слишком большая разница температур), использовать грунт так же не всегда эффективно, а порой и невозможно. Для условий Беларуси подходит использование сбросного тепла, что и начато с 1991 г.

Источники информации

1. http://www.aces.ru/

2. http://www.gaps.tstu.ru/

3. http://www.transgasindustry.com/

4. http://www.nestor.minsk.by/

5. Поспелова Т.Г. Основы энергосбережения. - Мн.: УП «Технопринт», 2000.

Размещено на Allbest.ru

...