Учебник - Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях (989625), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Это может быть электродвигатель, газовая турбина, двигатели внутреннего сгорания, механическая энергия струи пара и т.д. Часто тепловые насосы разделяют по виду рабочего агента (фреоновые, аммиачные, воздушные и др.), и типу теплоносителей, отдающих и воспринимающих теплоту (воздух-воздух, вода – воздух, вода-вода и т.д.).Наибольшее распространение в настоящее время получили парокомпрессионные тепловые насосы, использующие в качестве рабочего агента один из фреонов или их смесь. Их так много, что в литературе,если нет специальных оговорок, под словом «тепловой насос» чаще всего имеют в виду именно парокомперессионный тепловой насос.Принцип действия и основные характеристики тепловых насосовТакже как и холодильные машины, тепловые насосы относят к трансформаторам тепла.
Принципиального различия в работе и в конструкции между ними не существует. Различается лишь назначение, и,температурный уровень получаемой теплоты. Цель холодильной машины – получение теплоты с температурой ниже уровня температуры окружающей среды, т.е. производство холода. Холод в парокомпрессионной холодильной установке получается в виде охлажденного теплоносителя (рассолы, антифризы,воздух, вода) выходящего из испарителя. Цель теплового насоса – получение теплоты, которая в случаепарокомпрессионного теплового насоса получается в виде нагретого теплолносителя (воды, воздуха),выходящего из конденсатора.Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса может быть проиллюстрирован при помощирис.23, на котором изображены его схема и термодинамический цикл в диаграмме T-s («температураэнтропия»). Тепловой насос действует за счет подведенной в компрессоре механической работы.
Привод компрессора может осуществляться от электрического или теплового двигателя. В компрессоре(процесс 1-2) повышается давление рабочего вещества, находящегося в парообразном состоянии отдавления P1 до давления P2. Затем в конденсаторе (процесс 2-3) при постоянном давлении происходитконденсация рабочего вещества. Получаемое при конденсации тепло передается потребителю при температуре T2, например, нагревая воду, направляемую в систему отопления. В дросселе происходитрасширение рабочего вещества до давления P1 с его частичным испарением (процесс 3-4).
Далее, рабочее вещество полностью превращается в пар при температуре T1 в испарителе, где отбирается теплота от ее источника, например от нагретого вентиляционного воздуха или продуктов сгорания.Qв3III2QвTNT2P223P1IVIIT1144Q0IQн1sРис.23. Схема парокомпрессионного теплового насоса и его цикл в T-s – диаграмме.I – испаритель, II – компрессор, III – конденсатор, IV – дроссель.Основными характеристиками теплового насоса являются – коэффициент преобразования (трансформации) тепла, термодинамический КПД, удельная стоимость, т.е. стоимость, отнесенная к теплопроизводительности теплового насоса.81Коэффициент преобразования тепла представляет собой отношение получаемой тепловой мощности кзатрачиваемой мощности на привод компрессора.
Он выше единицы, и существенно зависит от температуры холодного источника теплоты T1 и температуры получаемого горячего теплоносителя T2. В результате работы теплового насоса мы можем получить примерно в 2 - 8 раз больше теплоты, чем в случае непосредственного подогрева теплоносителя в электрокалорифере.εT =QвT2=N T2 − T1(40)Для людей, не знакомых с работой тепловых насосов, это обстоятельство кажется нарушением первогозакона термодинамики. На самом деле – это не так. В данном случае мы лишь трансформируем теплотуболее низкого потенциала в теплоту более высокого потенциала – т.е.
другого температурного уровня.Коэффициент преобразования тепла не является коэффициентом полезного действия теплонасоснойустановки. Известно, что качество вида энергии зависит то его способности превращаться в другой видэнергии. Если механическая работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другойвид энергии, то теплота даже в идеальном процессе лишь частично превращается в механическую работу. Степень превращения теплоты в работу характеризуется работоспособностью или эксергией потока теплоты и существенно зависит от температурного уровня потока теплоты, а также от температурыокружающей среды.Термодинамическое совершенство теплового насоса определяется его эксергетическим КПД. Он можетбыть вычислен следующим образом:Qв ⋅ w(41)NЗдесь w - температурная функция или коэффициент работоспособности теплоты, определяемая какηe =w=T2 − TосT2(42)Как видно, эксергетический КПД теплонасосной установки всегда меньше единицы.Примерная зависимость коэффициента трансформации тепла от температуры представлена на рис 24.Как видно, в случае малой разности температур в испарителе и конденсаторе коэффициент трансформации может достигать больших значений.
На практике при современном уровне цен на оборудование иэнергоносители рекомендуют применять тепловые насосы с коэффициентом трансформации не ниже2,5.ηe0,498765tк = 35οCtк = 20οC0,3tк = 20οC0,2430,12 t = 35οCк10 -10 -20 -30 -40 t0ο0 -10 -20 -30 t0 , Cб)a)Рис.24. Зависимость холодильного коэффициента (а) и эксергетического КПД (б)от температур конденсации и испарения.Удельная стоимость тепловых насосов, выпускаемых в России по данным [9] для мощностей от 100 до10000 кВт составляет 6000-7000 рублей за киловатт установленной тепловой мощности (включая монтаж).
Стоимость тепловых насосов, выпускаемых зарубежными фирмами несколько выше. Следуетожидать, что с увеличением числа отечественных производителей удельная стоимость тепловых насосов будет понижаться.Характеристики теплового насоса во многом зависят от применяемого рабочего вещества. В этом качестве чаще всего применяются различные фреоны (хладоны) – галогенопроизводные предельных угле-82водородов. Используются такие фреоны, как R-22, R134a, R-407C а также озонобезопасный фреон R142B. Применение фреона R-22 разрешено Монреальской конвенцией лишь до 2005 года. Характеристики фреонов во многом определяют коэффициент преобразования тепла и следовательно, экономичность теплового насоса.
Теплофизические и термодинамические свойства фреонов можно найти в [10].Применение тепловых насосов для энергосбереженияВ промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве как источник теплоты для работы тепловыхнасосов могут быть использованы следующие виды тепловых вторичных энергетических ресурсов:♦теплота охлаждающей воды паровых турбин тепловых и атомных электростанций, промышленных печей, компрессорных установок, аппаратов химической технологии.
Часто эта вода используется повторно и направляется на охлаждение в градирни и аппараты воздушного охлаждения(АВО);♦теплота сточных вод различных промышленных предприятий и предприятий жилищнокоммунального хозяйства (бани, прачечные, бассейны);♦теплота продуктов сгорания в котельных установках и промышленных печах, а также печах посжиганию твердых и жидких отходов;♦теплота продуктов сгорания в газотурбинных установках и дизельных двигателях;♦теплота водяных паров низкого давления, выбрасываемых в атмосферу (выпар);♦теплота отработанного сушильного агента в сушильных установках;♦теплота горячих растворов в выпарных и ректификационных установках;♦теплота масла, используемого в турбинах электростанций и в электрических трансформаторах;♦теплота воздуха, уходящего из систем вентиляции и кондиционирования воздуха жилых, общественных и промышленных зданий;♦теплота вытяжного воздуха станций метрополитена и воздуха каналов метро.Для работы тепловых насосов могут быть использованы также следующие природные источники теплоты:♦теплота наружного воздуха (при положительных температурах);♦вода естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей);♦тепло геотермальных источников;♦теплота грунта, которую получают при помощи специальных трубчатых теплообменников;♦теплота подземных вод;♦ тепло, получаемое в результате использования солнечной энергии.Низкопотенциальную теплоту вторичных энергетических ресурсов можно использовать напрямую припомощи теплообменных аппаратов, например, для подогрева приточного вентиляционного воздуха,предварительного подогрева воздуха, направляемого в топочные устройства, подогрева сушильногоагента в установках для сушки материалов и т.д., однако далеко не всегда это осуществимо на практике.Теплота повышенного потенциала, получаемая в тепловых насосах, имеет более широкие области использования.
Кроме указанных областей потребления она может использоваться также на отопление,горячее водоснабжение, подогрев технологических газов и жидкостей в аппаратах химической технологии, выпарных, перегонных и ректификационных установках, в процессах варки, при рекомпрессии пара.Наиболее целесообразно применять ТН в следующих случаях:♦имеется стабильный во времени источник теплоты с температурой 10-50°С.♦есть потребитель теплоты с температурой 60 – 120°С.
Во многих случаях именно отсутствие потребителя теплоты затрудняет применение тепловых насосов.♦имеется источник недорогой электрической энергии при дефиците тепла.♦если разница между температурами источника и потребителя – невелика. В этом случае тепловой насос имеет большой коэффициент преобразования.♦если источником теплоты является горячая вода или конденсирующийся пар или парогазоваясмесь. Эти теплоносители, в отличие от воздуха, имеют высокий коэффициент теплоотдачи, чтообеспечивает малые габариты испарителя теплового насоса.♦если необходима одновременная выработка теплоты и холода. Например, охлаждение молочных продуктов и отопление цеха.♦если в летнее время тепловой насос можно использовать в системе кондиционирования, а взимнее – в системе отопления.Рассмотрим некоторые схемы, в которых могут быть использованы тепловые насосы.832пар от турбины13конденсатвода в системутеплоснабженияподпитывающаяводаРис.25.
Применение теплового насоса для утилизации тепла оборотной водытепловой электростанции.На рис.25 представлено использование теплового насоса для охлаждения оборотной воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины тепловой электростанции. Для охлаждения оборотной воды обычноприменяются градирни.
Температура воды, поступающей из конденсатора в испаритель теплового насоса может составлять в зависимости от сезона от 20 до 35°С, что позволяет получать высокий коэффициент преобразования и короткий срок окупаемости. Применение теплового насоса позволяет снизитьзатраты воды, поступающей на подпитку системы водоснабжения, улучшить экологическую обстановкувблизи градирни.
Уменьшение температуры воды, поступающей в конденсатор за счет более глубокогоее охлаждения позволяет увеличить КПД станции.На рис.26 представлено использование теплового насоса для утилизации тепла вентиляционных выбросов промышленного предприятия. Наличие вредных веществ, паров жидкостей или твердых частиц ввентиляционных выбросах делают невозможным применение рециркуляции вытяжного воздуха. Использование теплового насоса в такой схеме позволяет отказаться от традиционного в таких случаяхиспользования теплообменников-утилизаторов. Теплоты, вырабатываемой насосом обычно оказывается достаточно для подогрева воды, обеспечивающей работу калориферов, нагревающих приточный воздух.вытяжнойвоздух41253приточныйвоздухРис.26.
Применение теплового насоса для подогрева приточного воздуха в системе вентиляции.1, 2 – вентиляторы, 3 – подогреватель воздуха,4 - тепловой насос, 5 – промышленное здание.Часто источником для работы теплового насоса являются сточные воды промышленного предприятия.Обычно эти воды кроме растворенных или взвешенных примесей имеют еще и высокую температуру.Перед сливом в промышленную канализацию эти воды должны быть предварительно охлаждены, чтобыне оказать вредного воздействия на систему биологической очистки. Тепловой насос не только охлаждает сточные воды, но и нагревает теплоноситель для системы теплоснабжения.Применение газотурбинных установок для выработки электроэнергии (рис.27) дает возможность использовать тепловые насосы как для охлаждения уходящих продуктов сгорания (при этом часть тепла целесообразно использовать в котлах-утилизаторах или рекуперативных теплообменниках), так и для понижения температуры теплоносителя, обеспечивающего промежуточное охлаждение ступеней компрессора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
