Тепловые насосы

Тепловые насосы предназначены для использования энергии в форме низкопотенциального тепла (когда температура теплоносителя ниже требуемого значения) – это тепло отработанного воздуха в системах вентиляции, воды в реках и водоёмах, слабонагретого атмосферного воздуха, канализационных стоков жилых и производственных объектов, молока на МТФ и др. и перевода этого тепла на уровень температур горячего водоснабжения или отопительных температур.

По принципу действия тепловой насос представляет собой холодильную машину, работающую по обратному циклу (рис. 4.3.).Хладоагент (фреон, метилхлорид, аммиак или др.), кипящий при температуре Т_н циркулирует в замкнутом цикле, включающем компрессор. В компрессоре при подводе механической энергии W пар хладоагента сжимается и его температура повышается. Проходя через теплообменник-конденсатор пар хладоагента при высоком давлении и отборе тепловой энергии конденсируется и отдаёт теплоту перегрева W и конденсации Q₁ в помещение или другому теплообменнику при более высокой температуре Т_В. Отдаваемая энергия

Q₂ = W + Q₁

С выхода теплообменника-конденсатора жидкий хладоагент поступает к редукционному клапану. Благодаря наличию этого клапана, на выходе компрессора и в теплообменнике-конденсаторе поддерживается необходимое давление паров хладоагента. За счёт высокого давления обеспечивается переход хладоагента в жидкое состояние при температуре Т_В, превосходящей температуру его испарения Т_Н. Проходя редукционный клапан, жидкий хладоагент попадает в теплообменник-испаритель, где начинает интенсивно испаряться при температуре Т_Н. отбирая при этом тепло Q₁ от среды, в которую теплообменник-испаритель помещён.

Тепловой коэффициент h_т теплового насоса (коэффициент трансформации тепла) определяется как отношение тепловой энергии, получаемой на выходе, к энергии, затраченной на организацию этого процесса, т.е.

.

Из выражения следует, что значение h_т > 1. Расчётное значение теплового коэффициента для тепловых насосов может быть очень велико. По сравнению с электрообогревом применение теплонасосоных установок, использующих в качестве низкопотенциального тепла - тепло грунта, тепло атмосферного воздуха и др. приводит к 3-5-кратной экономии энергии.

Очень перспективным является комплексное использование теплонасосных установок для одновременного получения тепла и холода. Применение такого типа установок на МТФ для охлаждения молока позволяет обходиться без электрических водонагревателей и экономить большое количество электроэнергии.

Рис. 4.3. Упрощенная схема теплового насоса: 1-теплообменник-испаритель; 2-компрессор; 3-редукционный клапан; 4-теплообменник-конденсатор.

Тепловая энергия, содержащаяся в охлаждённом молоке наилучшим образом может быть утилизирована в теплохолодильных установках типа ТХУ-14, ТХУ-23, разработанных в Советском Союзе еще в 80-ые годы. В этих установках, как и в современных танках-охладителях зарубежного производства, используется принцип теплового насоса, когда тепло от холодильного агрегата не «выбрасывается», а направляется на нагрев воды, необходимой для технологических и бытовых потребностей. При охлаждении 1 л молока можно получить тепловую энергию, достаточную для нагрева 0, 52 л. воды до температуры 55 ⁰С. Например, в Германии теплонасосные холодильные установки применяют в основном на фермах, насчитывающих не менее 30-40 дойных коров. При годовом удое 5000 кг молока от каждой коровы можно обеспечить горячим водоснабжением коровник на 40-50 коров и жилой дом на 4-6 человек. Окупаются такие установки за 6-7 лет при сроке службы более 12 лет.