Теплонасосные установки

В теплонасосных установках температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, а температура теплоприемника значительно выше температуры окружающей среды, т. е. Тн (Т.о. Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Основное назначение этих установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например, окружающей среды.
В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов: 1) компрессионные (паровые);

2) струйные (эжекторного типа);

3) абсорбционные.

1) Компрессионные тепловые насосы. Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а так же для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.
В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны.
На рис. 4.1 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса. В испаритель I подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя I в компрессор II в состоянии 1 сжимаются до давления рк и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор III, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер IV (устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, происходит с совершением полезной работы), где происходит расширение рабочего агента от давления рк до давления ро, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель I и цикл замыкается.

Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу (рис. 4.5) принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок.

2) Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили струйные тепловые насосы эжекторного типа. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счёт использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки.

Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

3) Абсорбционные тепловые насосы. Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т. е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счёт использования тепла, подведённого извне.
Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий к. п. д., у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготолено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.
Трансформатор тепла может работать одновременно как холодильная и теплонасосная установка; при этом Тн < То и Тн > То. Такой процесс называется комбинированным. В комбинированном процессе происходит одновременно выработка тепла и холода - охлаждается среда А и нагревается среда Б. Таким образом, в холодильных установках осуществляется искусственное охлаждение тел, температура которых ниже температуры окружающей среды. В теплонасосных установках используется тепло окружающей среды или других низкопотенциальных сред для целей теплоснабжения. Холодильный процесс протекает следующим образом. Охлаждаемое тело отдаёт тепло хладоагенту при температуре Тн < То: затем в холодильной машине за счет подведенной механической энергии происходит повышение температуры хладоагента до температуры То. Нагретый хладоагент передает в окружающую среду количество тепла qв = qн + l. Процесс в тепловом насосе протекает аналогично, но при других температурных потенциалах в соответствии с назначением установки - передать нагреваемому телу Б часть тепла окружающей среды с более низкой температурой.

7. Рабочие агенты и теплоносители (хладоносители) в трансформаторах тепла.
Для осуществления процессов в трансформаторах тепла применяют рабочие вещества (агенты), обладающие необходимыми термодинамическими, физико-химическими свойствами. Они могут быть однородными или являются смесью нескольких, обычно двух, веществ. У большинства трансформаторов тепла рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям.

В настоящее время в трансформаторах тепла применяют следующие рабочие вещества:
а) холодильные агенты - вещества, имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения от +80 до -130 °С. Холодильные агенты с температурой кипения от +80 до -30 °С применяются обычно в теплонасосных установках, а с более низкими температурами кипения от 0 до -130 °С - в установках умеренного холода;
б) газы и газовые смеси (также воздух) с низкими температурами кипения;
в) рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;
г) вода, применяемая по своим теплофизическим свойствам в холодильных установках, где температура нижнего источника, тепла tн> О °С, например для кондиционирования воздуха.
Для экономичной и безопасной работы трансформаторов тепла холодильные агенты должны удовлетворять следующим требованиям:
а) иметь невысокое избыточное давление при температуре кипения и конденсации, большую теплопроизводительность 1 кг агента, малый удельный объем пара (при поршневых компрессорах), малую теплоемкость жидкости и высокие коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи;
б) иметь невысокую вязкость, возможно более низкую температуру затвердения, не растворяться в масле (при поршневых компрессорах);
в) быть химически стойким, негорючим, невзрывоопасным, не вызывать коррозии металлов;
г) быть безвредным для организма человека;
д) быть недефицитным и недорогим.
Рабочие агенты газовых холодильных установок должны иметь низкую нормальную температуру кипения, малую вязкость, большую теплопроводность и теплоемкость Ср, мало зависящую от температуры и давления.
Рабочие агенты абсорбционных установок, кроме удовлетворения вышеперечисленных требований, должны хорошо абсорбироваться и десорбироваться в сочетании с соответствующими сорбентами.