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:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива Перец против соли 07.11.2017 Если человек любит острую еду, он ест меньше соли - это обнаружили исследователи из Третьего военно-медицинского университета и Института биомедицинской инженерии и технологии в Сучжоу обнаружили. В экспериментах Чжимин Чжу (Zhiming Zhu) и его коллег участвовали несколько сотен человек, которые были в разной степени любителями острой пищи и любители перца были более других чувствительны к соленому. Чтобы понять, почему так происходит, авторы работы понаблюдали за активностью мозга, пока участники эксперимента пробовали растворы соли и капсаицина - знаменитого алкалоида, который содержится в перце чили и которому перец обязан своим жгучим вкусом. Оказалось, что нервные центры, отвечающие за тот и за другой вкус, отчасти перекрываются, так что когда человек ест острую еду, у него активируются не только "перечные" зоны, но и те, которые должны реагировать на соль - и мозгу кажется, что еда уже заодно и посолена. Считается, что соль способствует повышению кровяного давления, и тем, у кого проблемы с сердцем, советуют есть меньше соленого. Очевидно, что у любителей острого проблем с давлением быть не должно - и действительно, исследователи обнаружили, что у любителей перца систолическое давление в среднем ниже на 8 мм ртутного столба, а диастолическое - на 5 мм рт. ст. (Напомним, что нормальное соотношение систолического и диастолического давления - 110 и 70 мм рт. ст., а если систолическое поднимается до 120-139 мм рт. ст.. а диастолическое - до 80-89 мм рт. ст., то в этом случае говорят о прегипертонии.) Наверно, можно было бы посоветовать употреблять больше острых блюд тем, у кого есть проблемы с давлением - если, конечно, человек готов терпеть жгучий вкус еды. Правда, здесь, с одной стороны, следовало бы перепроверить полученные результаты с жителями других стран, а не только с китайцами, а с другой стороны, те же самые эксперименты было бы неплохо поставить с другими жгучими соединениями, а не только с капсаицином из чили.

Другие интересные новости:

▪ Однокристальный контроллер для оборудования с разъемами USB Type-C

▪ Процессор Snapdragon 8 Gen 2

▪ Пассажир на рентгене

▪ Общение с собаками повышает иммунитет

▪ Наноспагетти для здоровья и долголетия

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Инструменты и механизмы для сельского хозяйства. Подборка статей

▪ статья Горе побежденным! Крылатое выражение

▪ статья Как появился первый презерватив? Подробный ответ

▪ статья Гагея желтая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Трехканальная цветомузыкальная приставка с компрессорами. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Конденсаторные установки. Защита. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

All languages of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua
2000-2024