Энергетические установки на базе тепловых насосов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Введение

Теплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и достаточно суровыми зимами требует весьма больших затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно на малых котельных), экономическая и экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение является одним из основных источников загрязнения крупных городов). Кроме того, высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей усугубляют негативные факторы, присущие традиционному теплоснабжению.

Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%.

Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм составляет одну аварию в год на 1 км длины, а для труб меньшего диаметра - около шести аварий. Если учесть, что общая протяженность тепловых сетей в России доставляет 650 тыс. км, а в полной замене нуждаются 300 тыс. км, становится очевидно, что строительство и поддержание тепловых сетей в рабочем состоянии требуют затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных.

Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов.

Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-30°C) природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Тепловые насосы в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом, если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн., в Западной Европе 0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75%.

Основные обозначения, индексы и сокращения

Обозначения величин

• с - теплоемкость, кДж/(кг? К);
• d - влагосодержание водяных паров воздуха, кг/кг;
• G - массовый расход, кг/с;
• H - теплоперепад, Дж/кг, кДж/кг;
• h - энтальпия, Дж/кг, кДж/кг;
• р - давление, Па, кПа;
• n - частота вращения, 1/c;
• N - мощность, Вт, кВт, Мвт;
• q - удельный расход теплоты, Дж/Дж, кДж/кДж;
• Q - количество теплоты, Вт, кВт, Мвт;
• s - энтропия, Дж/(кг К), Дж/(кг К);
• t - температура,°C;
• T - температура, К;
• v - удельный объем, м3/кг;
• х - степень сухости пара;
• h - КПД;
• h м - механический КПД;
• p - степень повышения ( понижения) давления;
• s - коэффициент сохранения давления.

Индексы

• в - воздух;
• вд - вода;
• вл - влажный;
• вн - внутренний;
• к - конечный;
• конд - конденсация;
• п - пар;
• см - смесь;
• ср - средний;
• сух - сухой;
• р - расчетный;
• s - насыщение;
• i - внутренний;
• 0 - начальный; расчетный; номинальный;
• ж - жидкость.

Сокращения

• КПД - коэффициент полезного действия;
• ТНУ - тепловая насосная установка.

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон ( лорд Кельвин ) в 1852 г. Она была названа умножитель тепла и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения, уже тогда, Томсон указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи. Предложенный Томсоном тепловой насос ( ТН ) использовал воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывался в цилиндр, расширялся охлаждаясь от этого, а затем проходил теплообменник, где нагревался наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей. Фактически подобная машина была реализована в Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на отопление.

Дальнейшее свое развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах 20 века, когда в Англии была создана первая установка предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок.

Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60 С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. В период с 1939 по 1945 года было создано еще 9 подобных установок, с целью сокращения потребления угля в стране. Некоторые из них успешно проработали более 30 лет.

Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН. Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину. Тепловая машина получает тепло (рис. 1.1.1) от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу. Тепловой насос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой.

Рис.1.1.1. Термодинамическая схема теплового насоса и теплового двигателя. 1 -тепловой насос; 2 - тепловой двигатель.

Можно показать, что если обе эти машины обратимы (т. е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы ), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение Qн/W. Если бы это было не так то можно было бы построить вечный двигатель просто соединив одну машину с другой. Только в случае тепловой машины это отношение записывается в виде W/Qн и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно остается в виде Qн/W и называется коэффициентом преобразования теплоты (Кт).

Если считать, что тепло изотермически подводится при температуре TL и изотермически отводится при температуре TH, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии (рис. 1.1.2), работа подводится от внешнего двигателя, то коэффициент преобразования для цикла Карно будет иметь вид: Кт = TL /( TН - TL ) + 1 = TН / ( TН - TL )

Рис.1.1.2

Таким образом никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизится к этому пределу.

Классификация тепловых насосов

В настоящее время создано и эксплуатируется большое число тепловых насосных установок, отличающихся по тепловым схемам, рабочим телам и по используемому оборудованию. По обозначению различных классов установок, в известных нам литературных источниках, нет единого установившегося мнения, встречаются различные обозначения и термины.

В связи с этим важное значение приобретает классификация установок, позволяющая проводить рассмотрение их свойств в соответствии с той или иной группой. Все типы тепловых насосных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака.

Классификацию теплонасосных установок следует осуществлять прежде всего по циклам их работы. Можно выделить несколько основных типов тепловых насосов:

• воздушно-компрессорные тепловые насосы;
• тепловые насосы с механической компрессией пара (парокомпрессионный цикл);
• абсорбционные тепловые насосы;
• тепловые насосы основанные на использовании эффекта Ранка;
• тепловые насосы основанные на использовании двойного цикла Ренкина;
• тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга;
• тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона;
• термоэлектрические тепловые насосы.
• - обращенный топливный элемент;
• тепловые насосы с использованием теплоты плавления;
• тепловые насосы с использованием механохимического эффекта;
• тепловые насосы с использованием магнетокалорического эффекта.

Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: 1) открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду; 2) замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Различают одно- и двухступенчатые и каскадные ТНУ, а также ТНУ с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением.

По назначению: стационарные и передвижные, для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта и утилизации сбросного тепла.

По производительности: крупные, средние, мелкие.

По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

По режиму работы: стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.

По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов.

По виду потребляемой энергии: с приводом от электродвигателя или газовой турбины или от газовой турбины, работающие на вторичных энергоресурсах и др.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Подзарядка через асфальт 01.03.2004 Власти Генуи (Италия), борясь с загрязнением воздуха выхлопными газами, решили пустить по одному из маршрутов в центре аккумуляторный электробус. Выбор пал на новые автобусы итальянской фирмы "Эко Пауэр Текнолоджи", подзаряжающиеся на конечных остановках без подключения к проводам. По маршруту длиной 2400 метров курсируют три электробуса. На конечной остановке, куда автобус попадает примерно каждые 20 минут, в асфальт заложена индукционная катушка диаметром один метр, в которой циркулирует переменный ток частотой 20 килогерц. Из-под днища машины опускается такая же катушка, причем расстояние между ними может составлять до 40 сантиметров. Монитор в кабине показывает водителю, насколько точно совпадают две катушки. Зарядка продолжается 10 минут. Дождь и снег не мешают передаче энергии. Ранее такая же система была принята в одном из городов Новой Зеландии, а после Генуи, возможно, ею обзаведется Турин.

Другие интересные новости:

▪ Надежная керамика без обжига

▪ Канадский военный снегоход

▪ Тромбоциты в нефтепроводе

▪ Видеокарта Radeon RX 7900M

▪ Карты памяти стандарта UFS

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрику. ПУЭ. Подборка статей

▪ статья Как нам обустроить Россию? Крылатое выражение

▪ статья Какова скорость мысли? Подробный ответ

▪ статья Козлобородник луговой. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Измеритель толщины полимерной пленки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Неуловимое кольцо. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026