Принципи утилізації низькопотенцшного тепла. Теплові насоси

Принцип теплового насоса випливає з робіт Карно й опису циклу Карно, опублікованого в його дисертації в 1824 р. Практичну теплонасосну систему запропонував Вільям Томсон ( згодом - лорд Кельвін) у 1852 р. Вона була названа помножувачем тепла й показувала, як можна холодильну машину ефективно використовувати для цілей опалення.

Рис. 1. Схема «помножувача тепла» Томсона. 1 - навколишнє повітря; 2 - вхідний циліндр; 3 - теплообмінник; 4 - привід; 5 - парова машина; 6 - вихідний циліндр; 7 - приміщення, що обігрівається.

В обґрунтуванні своєї пропозиції Томсон указував, що обмеженість енергетичних ресурсів не дозволить безупинно спалювати паливо в печах для опалення й що його помножувач тепла буде споживати менше палива, ніж звичайні печі.

Як видно з рис. 1, запропонований Томсоном тепловий насос

використовує повітря як робоче тіло. Навколишнє повітря засмоктується в циліндр, розширюється й від цього прохолоджується, а потім проходить через теплообмінник, де нагрівається зовнішнім повітрям. Після стиску до атмосферного тиску повітря із циліндра надходить приміщення, що обігрівається, будучи нагрітим до температури вище навколишньої.

Є дані про те, що фактично реалізована подібна машина була у

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К. т.н., доц. Є. О. Баганов

Швейцарії. Томсон заявив, що його тепловий насос здатний давати необхідне тепло при використанні тільки 3% енергії, затрачуваної на пряме опалення.

Холодильні машини розвивалися вже наприкінці XIX ст., але теплові насоси одержали швидкий розвиток лише в 20-х - 30-х роках, коли в Англії була створена перша теплонасосна установка. Холдейн описав в 1930 р. випробування домашнього теплового насоса, призначеного для опалення й гарячого водопостачання, що використовував тепло навколишнього повітря. Після цього почалися роботи в США, що призвели до створення демонстраційних установок, але до цієї стадії було доведено порівняно небагато проектів, тому що всі вони мали лише приватне фінансування.

Перша велика тепло насосна установка в Європі була уведена в дію в Цюріху в 1938—1939 р. У ній використовувалися тепло річкової води, ротаційний компресор і хладоагент. Вона забезпечувала опалення ратуші водою з температурою 60° С при потужності 175 кВт. Була система акумулювання тепла з електронагрівником для покриття пікового навантаження. У літні місяці установка працювала на охолодження.

ЦИКЛ КАРНО

В 1824 р. Карно вперше використовував термодинамічний цикл для опису процесу, і цей цикл залишається фундаментальною основою для порівняння з ним і оцінки ефективності теплових насосів.

Термодинамічна схема теплового насоса і теплового двигуна.

Ідеальний теплонасосний цикл Карно.

1 — тепловий насос: 2 — тепловий двигун; Тн — висока температура;

TL — низька температура.

1 - джерело тепла; 2 - компресор; 3 - приводний двигун; 4 - споживач тепла; 5 - розширювальна машина.

Тепловий насос можна розглядати як звернену теплову машину. Теплова машина одержує тепло від високотемпературного джерела й скидає його при низькій температурі, віддаючи корисну роботу. Тепловий насос вимагає витрат роботи для одержання тепла при низькій температурі й віддачі його при більш високій.

Ефективність у випадку теплової машини воно записується у вигляді W/Qh і називається термічним ККД, а для теплового насоса воно залишається у вигляді Qh/W і називається коефіцієнтом перетворення (КОП).

Коефіцієнт перетворення для циклу Карно має вигляд

КОП =Tl/(Th—Tl)+ 1 =Тн/(Тн—TL).