Види ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ

Існує багато видів теплових насосів, серед яких теплові насоси паро-компресійного, абсорбційного, компресійно-резорбційного і термоелектричного типів знайшли найбільше розповсюдження.

Паро-компресійні теплові насоси

Конструкція паро-компресійного теплового насоса включає два теплообмінні апарати - випарник, у якому відбувається випарювання рідкого холодильного агента за рахунок підведення теплоти при невисокому тиску від середовища з низьким потенціалом, і конденсатор, у якому відбувається конденсація пароподібного холодильного агента при підвищеному тиску за рахунок віддачі теплоти теплоприймачу. У зв’язку з тим, що випарник і конденсатор мають різний тиск холодильного агента, конструкція теплового насоса передбачає використання компресора, який призначений для відсмоктування з випарника і стискання парів холодильного агента до тиску конденсації. Для зниження тиску конденсату, який надходить із конденсатора у випарник, служить дросельний вентиль, при проходженні через який тиск і температура холодильного агента
знижуються з частковим випарюванням холодильного агента без підведення теплоти ззовні.

Принципову схему паро-компресійного теплового насоса показано на рисунку 4.6.1.

Рисунок 4.6.1 - Схема паро-компресійного теплового насоса

Рівняння теплового балансу паро-компресійного теплового насоса має вигляд

Qb=Qh+W,

де QB - енергія, що передається від конденсатора до робочого середовища високого потенціалу;

QH - енергія середовища низького потенціалу, що передається випарнику;

W - механічна енергія, затрачена компресором на стискання холодильного агента.

Цикл Карно стосовно теплового насоса (рисунок 4.6.2) складається з таких процесів:

- ізотермічний процес DC підведення теплоти Qdc (Qh) на низькому температурному рівні Тн, що відповідає умовам теплообміну з навколишнім середовищем;

- ізоентропічне стискання CJ5, у процесі якого до робочого тіла підводиться робота WCB;

- ізотермічний процес В А відведення теплоти Qba (йв) на високому температурному рівні Тв, що відповідає умовам теплообміну з середовищем, що нагрівається;

- ізоентропічне розширення AD, в процесі якого робоче тіло повертає енергію W^, внаслідок чого до компресора подається зовнішня енергія W, яка дорівнює різниці енергій WCB і WВідношення корисної теплоти, відведеної в процесі ВА, до витраченої роботи називають коефіцієнтом перетворення кп теплового насоса:

Qba W

В

К =

тв-тн

Т,

Практичний інтерес з точки зору енергозбереження становить коефіцієнт використання палива к6П, який є відношенням корисної енергії на виході установки QB до кількості енергії, що міститься в первинному паливі, яке використано для роботи теплового насоса

Qnan •

Qb

к —

Л6П

Q

пал

Чим вищий коефіцієнт використання палива, тим ефективніше використання теплового насоса. А якщо розглядати цей коефіцієнт відносно теплових генераторів (котлів), то він характеризує ККД теплового генератора.

Теплові насоси абсорбційного типу

Рисунок 4.6.3 - Принципова схема теплового насоса абсорбційного типу

L____________ І

Основна відмінність абсорбційного теплового насоса від паро - компресійного полягає у відсутності компресора, замість чого використовується термокомпресор, який складається з рідинного насоса, дросельного вентиля і двох теплообмінних апаратів - абсорбера та генератора. Абсорбер виконує функції всмоктувального трубопроводу, відсмоктуючи холодильний агент із випарника теплового насоса і підтримуючи у випарнику низький тиск. В абсорбері, який охолоджується зовнішнім теплоносієм, відбувається поглинання холодильного агента (аміак NH3) абсорбентом - водою і перекачування утвореного насиченого водно-аміачного розчину насосом до генератора. Генератор, у який подається теплота від зовнішнього джерела, виконує функції нагнітального трубопроводу компресора, де відбувається випарювання холодильного агента з

Одним з основних недоліків теплових насосів паро-компресійного типу є значна споживча потужність компресора, при цьому немає суттєвої різниці у використанні як приводу компресора електричного двигуна чи двигуна внутрішнього згоряння. Зменшення впливу цього недоліку має місце в тепловому насосі абсорбційного типу, принципову схему якого зображено на рисунку 4.6.3.

абсорбенту і постійне підживлення конденсатора теплового насоса холодильним агентом при високому тиску.

Якщо порівняти сумарні витрати енергії на підтримання різниці тиску між випарником і конденсатором абсорбційного теплового насоса з витратами енергії на привод компресора в паро - компресійному тепловому насосі, то вони будуть практично однаковими при однаковому інтервалі температур в тому ж холодильному агенті. Однак абсорбційний тепловий насос значною мірою використовує теплову енергію низького потенціалу в порівнянні з електричною енергією паро-компресійного теплового насоса (електрична енергія для роботи насоса значно менша, ніж для роботи компресора).

Енергетичний баланс теплового насоса абсорбційного типу має вираз

Qkoh Qa6c ~ Qh Qsen ^нас? де QKOH - теплота, що відводиться від конденсатора;

Qa6c ~ теплота, що відводиться від абсорбера;

QH - теплота низького потенціалу, що підводиться до випарника;

QzeH ~ теплота низького потенціалу, що підводиться до генератора;

WHac ~ електрична енергія, що підводиться до насоса.

Порівняння за рівних умов використання абсорбційного і паро - компресійного теплових насосів за коефіцієнтом використання первинного палива дає перевагу абсорбційному тепловому насосу.

Компресійно-резорбційні теплові насоси

Компресійно-резорбційні теплові насоси - це гібридні теплові насоси, в яких використовуються переваги паро-компресійних та адсорбційних насосів і які є найбільш перспективними для децентралізованого теплопостачання. Під поняттям резорбції розуміється процес абсорбції при високому тиску. Принципову схему компресійно-резорбційного насоса подано на рисунку 4.6.4.

Рисунок 4.6.4 - Принципова схема компресійно-резорбційного теплового насоса

Робота компресійно-резорбційного теплового насоса відбувається в такій послідовності. У випарнику при низькому тиску і підведенні теплота низького потенціалу Q6 відбувається випарювання з

насиченого водно-аміачного розчину аміаку. Низький тиск у випарювачі підтримується за рахунок постійного відсмоктування з нього парів аміаку компресором, до якого підводиться енергія WK. Двокомпонентна пара з дуже високою концентрацією аміаку (до 99 %) стискається компресором і нагнітається під тиском у конденсатор-резорбер. З другого боку, випарений у випарнику слабкий водноаміачний розчин нагнітається насосом у резорбер через теплообмінник, де нагрівається зустрічним потоком насиченого міцного розчину. При резорбції парів аміаку в резорбері виділяється теплота Qpe3, яка використовується як джерело високої температури.

Насичений міцний розчин із резорбера охолоджується в теплообміннику, дроселюється і надходить у випарник.

Енергетичний баланс компресійно-резорбційного теплового насоса визначається за виразом

О =П +W +W

^рез 1 гг к 1 rr нас •

При рівних значеннях питомих теплових потоків коефіцієнт перетворення компресійно-резорбційного теплового насоса перевищує аналогічний показник паро-компресійного теплового насоса на 9-21 %.

Термоелектричні теплові насоси

Інший принцип роботи мають термоелектричні теплові насоси, робота яких базується на ефекті Пелтьє. Якщо взяти напівпровідниковий пристрій, конструкцію якого показано на рисунку 4.6.5, то при пропусканні постійного струму через пристрій на переході п-р пристрою виділяється теплота, а на переході р-п - поглинається. З цього виходить, що зміною напряму постійного струму і його величини можна регулювати величину отриманої теплоти або відповідного охолодження.

Таким чином, тепловий насос в одній частині виділяє, а в іншій - поглинає теплоту за рахунок електричної енергії. Якщо змінити напрям струму, то насос працюватиме у зворотному режимі, тобто частини, в яких відбувається виділення і поглинання теплоти, поміняються місцями. Такі теплові насоси можна успішно використовувати для терморегуляції житлових та інших приміщень. Взимку насоси нагрівають повітря в приміщенні та охолоджують його на вулиці (рисунок 4.6.6 а), а влітку, навпаки, охолоджують повітря в приміщенні та нагрівають на вулиці (рисунок 4.6.6 б). На рисунку 4.6.6 в показано загальний вигляд і схему пристрою теплового насоса в приміщенні.

Теплові насоси такого типу знаходять широке розповсюдження в різних сферах господарства. Так, теплові насоси можуть підігрівати воду на фермах, використовуючи теплоту молока. Молоко з-під корови, що має температуру 37-38 °С і містить теплоту має бути
охолоджене перед відправкою на молокозавод до 4°С. Якщо охолоджувати його за допомогою теплового насоса, то вода, що

виходить із насоса, матиме температуру 50-60°С. Підвищення температури води зумовлене введенням від зовнішнього джерела додаткової енергії, що відповідає додатковій теплоті Q0. При цьому

теплота води, яка нагрівається, Q2 = Q + Qq. Цю воду добре

використовувати у виробничому процесі ферми, в результаті чого пристрій окупиться за два-три роки.

Щодо використання напівпровідникових теплових насосів для опалення, то, незважаючи на відносну простоту конструкції, вони в найближчий час практичного використання не знайдуть, оскільки мають вкрай низький енергетичний ККД - те = 0,14 - 0,22. На

практиці це означає, що пряме електричне нагрівання з те = 0,9 - 0,95

в 4-7 разів ефективніше за виробництво теплової енергії в термоелектричних напівпровідникових теплових насосах.

б)

Рисунок 4.6.6 - Схема роботи теплового насоса:

а) - тепловий насос, що обігріває кімнату взимку;

б) - тепловий насос, що охолоджує кімнату влітку;

в) - загальний вигляд і конструктивне виконання теплового насоса

Також розрізняють теплові насоси, що базуються на використанні ефекту Ранка, подвійного циклу Ренкіна, які працюють за циклом Стерлінга, Брайтона, обернені паливні елементи, теплові насоси з використанням теплоти плавлення, механохімічного ефекту, магнетокалоричного ефекту тощо. Проте використання таких теплових насосів має обмежену дію та специфічні умови використання.

Коментарі:

1. Антон 26.04.2017 01:28

   Дякую, гарна стаття, але не вистачає схем!Зображення відсутні