Теплонасосні установки

Класифікація та основні характеристики теплових насосів. Як вже відмічалось, теплові насоси є різновидом трансформаторів теплоти і призначені для одержання теплоносія середнього та підвищеного потенціалу, використовуваного при тепловому споживанні.

Тепловий насос працює наступним чином. У теплообміннику-випарнику відбирається теплота низького потенціалу і передається так званому робочому тілу (фреону). Утворені у випарнику пари фреонів стискуються в компресорі, одночасно підвищуються їх тиск і температура. Потім теплота стиснутої пари у конденсаторі передається тепловому споживачеві, а конденсат після дроселювання тиску знову надходить у випарник. Звідси можна зробити висновок, що дія теплового насоса нічим не відрізняється від роботи звичайного компресійного холодильника. Робочими агентами теплових насосів служать: фреон-11, фреон-21, фреон-113, фреон-114, фреон-142, гази й газові суміші (у тому числі і повітря), які мають низьку температуру кипіння при атмосферному тиску.

Тепловіддавачем у випарнику можуть бути джерела природної теплоти - зовнішнє повітря, вода природних водойм, ґрунт і т.д. Якщо тепловіддавачем служить термальна або охолоджена вода промислових печей, конденсаторів турбін та інших виробничих агрегатів, то енергетичний ефект роботи теплового насоса збільшується.

У багатьох країнах світу теплові насоси знайшли широке застосування. Їх загальна потужність сьогодні складає приблизно кілька мільйонів кіловатів. Теплонасосні станції серійно випускаються в Англії, Франції, Швеції, Японії, країнах СНД та інших країнах світу. У США сьогодні діє більш 2 млн таких установок.

Теплонасосні схеми в Україні ще впроваджуються недостатньо. Це пов'язано з організацією наукових досліджень, можливостями промисловості, але в, першу чергу, співвідношенням цін на теплову та електричну енергію.

Розрахункова ефективність від впровадження теплових насосів дуже велика. У порівнянні з електрообігріванням застосування теплових насосів приводить до 3-5-кратної економії палива. Це підтверджено як лабораторними експериментами, так і досвідом експлуатації відповідних установок.

Використання теплових насосів як низькопотенційних джерел теплоти.Теплові насоси можна використовувати як індивідуальні системи обігріву житлових будинків, окремих будинків і споруд, насосних (каналізаційних, водопостачання) і т.п. Так, для теплопостачання окремих насосних станцій у даний час, як правило, використовують перетворення електричної енергії в теплову за допомогою калориферів чи різних теплоелекгронагрівачів (тенів). Сумарна потужність їх обмежена 30 кВт. Це викликає значні труднощі для забезпечення необхідних розрахункових температур повітря усередині насосних станцій.

Для економії електроенергії пропонується застосовувати теплові насоси типу "вода - повітря". У насосних станціях джерелом низкопотенційної теплоти може служити рідина, що перекачується, а теплоносієм, який нагрівається - повітря станції. У цьому разі тепловий насос повинен знаходитись безпосередньо в насосній станції.

Принципова схема опалення водопровідної насосної станції за допомогою теплового насоса типу "вода - повітря" наведена на рис. 20.6. Частина води, що перекачується насосами 1, подається на випарник 2, де вона охолоджується за рахунок теплообміну з робочим тілом теплового насоса, випаровуючи його. Охолоджена вода повертається назад у мережу. Пари робочого тіла, що утворилися (хладон-12), з випарника 2 відсмоктуються компресором 3 і стискуються ним до тиску, обумовленого температурою вхідного в конденсатор 4 повітря, де відбувається його нагрівання за рахунок теплоти конденсації робочої речовини. Конденсат робочої речовини через дросель 5 подається знову у випарник 2 і цикл повторюється. Витрата електроенергії на прокачування води через випарник незначна. Для одержання теплової потужності 10 кВт насосу досить перекачати через випарник приблизно 2,5 м/год води, що складає приблизно менше 1 % обсягу прокачуваної води.

Найбільш розповсюдженою за рубежем є схема з комбінованим використанням теплоти ґрунту і сонячної енергії (рис. 20.7), хоча відомості про економічну ефективність таких схем поки відсутні.

Рис.20.6 - Принципова схема опалювання насосної станції за допомогою теплового насоса „вода - повітря” : 1- технологічні насоси; 2 – випарник; 3 – компресор; 4 – повітряний конденсатор з вбудованим вентилятором; 5- дросель; В – вода; Х – холодоагент (хладон-12), (пунктиром показана заводська поставка).

Рис.20.7 - Схема опалювання житлових помешкань теплонасосною установкою з використанням теплоти ґрунту і Сонця: ТН – тепловий насос; ВГ – випарник ґрунту; Ср- сонячний радіатор; Н1 і Н2 – циркуляційні насоси; РО – радіатори опалювання; РВ – регульований вентиль для відключення сонячного радіатору

Можлива схема теплонасосного опалення приміщення з використанням вентиляційного повітря показана на рис.20.8, а з використанням теплоти природних водойм - на рис.20.9.

Рис 20.8 - Схема теплонасосного опалювання приміщення з використанням теплоти вентиляційного повітря: В- випарник; К – конденсатор; ДР –дросель; ОП – опалювальні приміщення; Д1,Д2,Д3 – електро - та теплові двигуни; В1 та В2 – повітряні вентилятори.

Рис.20.9 - Схема теплонасосного опалювання з використанням теплоти водоймищ: В – випарник, К – конденсатор, КМ – компресор, ДР – дросель, ОП – опалювальні помешкання, Н – насос, РО – радіатори опалювання.