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

Индексы

Сокращения

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:

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.