Розділ 20. Нетрадиційні джерела енергії та використання відпрацьованого тепла Основні схеми використання відпрацьованого теплаТрансформатори теплотиТермодинамічні основи процесів трансформації теплотиТеплонасосні установкиВикористання теплових насосів стосовно низькопотенційних джерел теплотиТепловикористовуючі апарати на теплових трубах^ Контрольні запитання 20.1. Основні схеми використання відпрацьованого тепла Ефективне використання вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР) в Україні не одержало великого поширення. В основному утилізуються високотемпературні теплові ресурси, значно гірше - середньо - і низькотемпературні ВЕР, велика частина яких іноді навіть не враховується. Це гази, які відходять з температурою нижче 3000С, охолоджені вода і конденсат з температурою нижче 70°С та ін. Однак доцільність їх утилізації на промислових підприємствах і використання у системах опалення, вентиляції, гарячого водопостачання очевидні. Основним способом утилізації теплоти відхідних газів котлових агрегатів ТЕЦ, промислових печей, використання її для власних потреб у різних технологічних процесах є застосування установок, що використовують тепло для підігріву води чи повітря, а також парових котлів-утилізаторів і газотурбінних установок. Котли - утилізатори (КУ) застосовують для зовнішньої енергетичної утилізації теплових відходів різних теплотехнологічних установок, які не використовують або частково використовують у технологічному процесі. Характерною особливістю КУ є відсутність у них топкового пристрою для спалювання палива (за винятком роботи на відхідних газах, які містять крім фізичної, хімічну теплоту у вигляді пальних складових, які доцільно допалити). Котли-утилізатори, які застосовують в металургійній, хімічній та інших галузях промисловості, виробляють пару низького (менше 1,5 МПа) і середнього (близько 4 МПа) тиску для одержання електроенергії. Нагрівання води в межах 130-1500С і повітря до 2500С може здійснюватися відхідними газами у звичайних поверхневих теплообмінних апаратах. Доцільно використовувати теплоту відпрацьованої виробничої пари, в першу чергу, з метою теплопостачання споживачів, по - друге - для виробництва електроенергії. Можлива схема використання відпрацьованої пари для теплофікації і вироблення електроенергії наведена на рис.20.1. Заслуговує на увагу використання вторинної пари, яку отримують в результаті вторинного скипання перегрітої води при розширенні її від тиску Р1 до Р2 (Р2 Рис.20.1 - Схема комплексного використання відпрацьованої пари: 1- очисник; 2- турбіна; 3 – електрогенератор.На рис.20.2 представлена схема одержання пари вторинного скипання. Нагріта вода з котла (рис. 20.2) направляється в сепаратор, звідки при зниженні тиску виходить вторинна пара, яка використовується для технологічних цілей, а гаряча вода, що залишилась, - для нагрівання теплоносія в теплообміннику.Рис.20.2 - Схема отримання пари вторинного кипіння з води безперервної продувки котлів: 1- котел; 2- сепаратор; 3- поверхневий теплообмінникСтановить інтерес використання теплоти конденсату, нагрітої виробничої і побутової зливної води, вентиляційних викидів. Одна з можливих схем використання нагрітої технологічної води подана на рис.20.3: охолоджена вода з температурою 80-90°С подається з її джерела частково у водопідігрівач 2 для наступного використання споживачем теплоти 3, а частково - безпосередньо до споживачів 3'. Підігрівник 2 живиться парою, яка надходить з котла -утилізатора КУ. Від теплоспоживачів вода насосами 4, 4' збирається в баку 5, після чого насосами 6 подається в систему охолодження агрегату 1. Відомо, що збір і повернення конденсату - важливе джерело економії теплоти, а отже і палива. Практика виробництва показує, що раціональна організація збору і використання конденсату дає економію, яка обчислюється сотнями тисяч тонн умовного палива на рік. Зазначена економія може бути отримана і за рахунок утилізації теплоти вентиляційних викидів підприємств при використанні повітряно - повітряних теплообмінників або іншого серійного устаткування для підігріву приточного повітря. Великими є можливості для утилізації теплоти при включенні в енергетичну систему ТЕЦ, котелень, термотрансформаторів і теплових насосів.Рис.20.3 - Схема використання теплоти охолодженої води для теплопостачання споживачів^ 20.2. Трансформатори теплотиПристрої для переносу теплової енергії від тіла з більш низькою температурою Тн (тепловіддавач) до тіла з більш високою температурою Тв (теплоприймачу), називаються трансформаторами теплоти. Для перетворення теплоти необхідно затратити зовнішню енергію (механічну, електричну і т.д.). Трансформатори теплоти підрозділяються на холодильні й теплонасосні установки. У холодильних установках температура тепловіддавача Тн нижче температури навколишнього середовища (Тн Трансформатор теплоти може працювати як у режимі холодильної установки, так і в режимі теплового насоса, або одночасно в двох режимах. Такий процес називається комбінованим. Принципова схема роботи трансформаторів теплоти наведена на рис.20.4. У холодильній установці (рис.20. 4, а) процес протікає наступним образом. Охолоджене тіло А віддає теплоту холодоагенту при температурі Тн У тепловому насосі (рис. 20.4, б) процес протікає аналогічно, але при інших температурних потенціалах. Тут частина теплоти навколишнього середовища з температурою То передається тілу, яке нагрівається Б. У комбінованій установці (рис. 20.4, в) одночасно відбувається вироблення теплоти і холоду (охолоджується середовище А і нагрівається середовище Б). Отже, в холодильних установках відбувається штучне охолодження тіл, температура яких нижче температури навколишнього середовища, тоді як у теплових насосах використовується теплота навколишнього середовища або інших низькопотенційних джерел з метою теплопостачання. Джерелами низькопотенційної теплоти в теплонасосних установках служать природне середовище (повітря, вода, ґрунт) або промислові відходи теплоти. Теплові насоси як є засіб теплопостачання ще не одержали великого поширення. Основною умовою, що сприяє їх використанню, є порівняно невеликий перепад температур між теплоприймачем і тепловіддавачем. Тому при використанні промислових відходів теплоти теплові насоси, за інших рівних умов, витрачають менше енергії, ніж при використанні теплоти навколишнього середовища.Рис 20.4 - Принципова схема роботи трансформаторів теплоти (а - холодильна установка; б – теплонасосна установка; в – комбінована установка).^ 20.3. Термодинамічні основи процесів трансформації теплотиТрансформатори теплоти, призначені для переносу теплоти з нижчого температурного рівня на більш високий, працюють за принципом зворотних циклів. Найбільш удосконаленим з них є зворотний цикл Карно. На рис. 20.5 представлені зворотні цикли Карно для трансформаторів теплоти, які здійснюють холодильний, теплонасосний і комбінований процеси. Основне рівняння теплового балансу зворотного циклу: qв = q н + l (20.1) де qв і q н - теплота, передана робочому тілу з більш високою температурою і відведена від охолодженого тіла; l- енергія, підведена до робочого тіла. Ефективність зворотного холодильного циклу (рис.20.5) характеризується холодильним коефіцієнтом, тобто відношенням кількості теплоти, відведеної від охолодженого робочого тіла до витраченої роботи циклу.рис. 20.5 - Діаграми зворотних циклів: а – холодильний цикл; б – цикл теплового насосу; в – комбінований цикл. (20.2) Холодильний коефіцієнт циклу Карно:. (20.3) Ефективність теплового насоса (рис.20.5,б) оцінюється коефіцієнтом перетворення відношення теплоти, яка отримана робочим тілом з температурою Тв до механічної роботи, витраченої в установці:. (20.4) Тоді коефіцієнт перетворення для циклу Карно:. (20.5) Трансформатори теплоти, які працюють за комбінованим циклом (рис.20.5, в), можуть знайти застосування на об'єктах, де одночасно потрібні теплота і холод. Прикладом таких підприємств можуть служити підприємства, де необхідна одночасно гаряча вода з температурою 40-70°С на побутові й технологічні потреби і холодна вода з температурою 3-8°С для кондиціонування повітря приміщень.^ 20.4. Теплонасосні установкиКласифікація 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 радіаторуМожлива 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.^ 20.5. Тепловикористовуючі апарати на теплових трубахПринцип дії, призначення і типи теплових труб. Термін "теплова труба" вперше був використаний у патенті Гровера, представленому від імені Комісії з атомної енергії США в 1963 р. Патент Гровера включав опис пристрою і результати експериментів, проведених з трубами з нержавіючої сталі, в яких гніти були виконані з дротяної сітки, а в якості робочої рідини використовувався натрій.Рис.20.10 - Основні елементи теплової труби: а – поздовжній переріз: 1 – гніт; 2 – стінка труби; 3 – повернення рідини по гніту; 4 – пара; 5 – ділянка конденсації; 6 – адіабатна ділянка; 7 – ділянка випару; б – поперечний переріз: 1 – стінка; 2 – гніт; 3 – паровий простір.Теплова труба (ТТ) (рис.20.10) являє собою пристрій з високою ефективністю передачі теплоти. На внутрішній стінці укріплений гніт, зроблений, наприклад, з декількох шарів тонкої сітки. Труба заповнюється невеликою кількістю теплоносія (робочого тіла), після чого з неї відкачується повітря і вона щільно закривається. Один кінець труби нагрівається, чим викликає випар рідини і рух пари до холодного кінця труби. Тут у результаті охолодження пара конденсується і під впливом капілярних сил повертається до гарячого кінця труби. Оскільки теплота паротворення теплоносія велика, то ТТ при малій різниці температур на кінцях може передавати великий тепловий потік. У ТТ розрізняють три ділянки: зона підведення теплоти або ділянка випару 7; зона переносу теплоти або адіабатна ділянка 6; зона відводу теплоти або ділянка конденсації 5. Випарник у розглянутій трубі може розташовуватися по-різному, тому вона працюватиме в будь-якому положенні. ТТ дозволяє транспортувати теплоту в різних напрямках, по будь-якому прямолінійному і криволінійному каналах, оскільки гніт, який змочується в зоні конденсації, завжди подаватиме теплоносій у зону випару. Круговорот теплоносія в ТТ відбувається незалежно від наявності сил ваги. Завдяки цьому ТТ є універсальним теплопроводом, подібно електричному проводу, що призначений для передачі електроенергії чи світловода, що здійснює передачу світла. Ефективність роботи ТТ часто визначають за допомогою показника "еквівалентна теплопровідність". Наприклад, циліндрична ТТ, де в якості робочого тіла використовується вода при температурі 150°С, матиме теплопровідність у сотні разів більшу, ніж мідь. Теплопередаюча здатність ТТ може бути дуже великою. Так, у ТТ, де в якості робочого тіла використовується літій, при температурі 1500°С в осьовому напрямку можна передати тепловий потік 10-20 кВт/см2. Досить різноманітні теплоносії: ацетон, аміак, фреони, дифенілові суміші, вода, ртуть, індій, цезій, калій, натрій, літій, свинець, срібло, вісмут і неорганічні солі. При виборі матеріалів і теплоносіїв для ТТ необхідно враховувати їх сумісність. У противному разі внаслідок хімічної взаємодії теплоносія з матеріалом стінки корпуса утворюються продукти реакції у вигляді газу, які не конденсуються, і твердий осад. Відомі десятки різновидів конструкцій ТТ: гладкостінні, гнітові, відцентрові (обертові), електрогідродинамічні труби, труби з ефектом магнітного поля, осмотичні та ін. Найбільш характерні галузі застосування є енергетика, машинобудування, електроніка, хімічна промисловість, сільське господарство (для утилізації низькопотенційних вторинних енергоресурсів). Найбільше застосування вони знаходять при температурі ВЕР 50 - 250°С, оскільки в даному температурному діапазоні не потрібно застосування дорогих матеріалів та теплоносіїв. Для передачі теплоти по криволінійних каналах можуть бути використані гнучкі теплові елементи. Гнучкість ТТ досягається установкою в корпус трубки (між випарником і конденсатором) гнучкого елемента типу сильфона чи виготовленням трубки з якого-небудь пластичного матеріалу з використанням звичайних металевих секцій для підведення чи відводу теплоти. Основи теорії теплових труб можна розглянути на прикладі гнотових ТТ. Для забезпечення їх роботи необхідне дотримування співвідношення: , де - максимальний капілярний напір, - перепад тиску, необхідний для повернення рідини з зони конденсації у випарник, - перепад тиску, необхідний для повернення пари з випарної зони в конденсаційну; - гравітаційний перепад тиску. При недодержанні цього рівняння гніт у зоні випарювання висохне і не буде працювати^ Таблиця 20.1 - Сумісництво матеріалів ТТ та використованого теплоносія Матеріал Теплоносій Фреон-11 Вода Ацетон Аміак Метиловийспирт Калій Натрій Мідь да да да ні да - - Алюміній да ні да ні ні - - Нержавіюча сталь да ні да ні да да да Вуглецева сталь да ні да ні ні - - Нікель да да да ні да - - Конструкції тепловикористовуючих апаратів з тепловими трубами. Теплообмінники Рис 20.4 - Принципова схема роботи трансформаторів теплоти (а - холодильна установка; б – теплонасосна установка; в – комбінована установка).^ 20.3. Термодинамічні основи процесів трансформації теплотиТрансформатори теплоти, призначені для переносу теплоти з нижчого температурного рівня на більш високий, працюють за принципом зворотних циклів. Найбільш удосконаленим з них є зворотний цикл Карно. На рис. 20.5 представлені зворотні цикли Карно для трансформаторів теплоти, які здійснюють холодильний, теплонасосний і комбінований процеси. Основне рівняння теплового балансу зворотного циклу: qв = q н + l (20.1) де qв і q н - теплота, передана робочому тілу з більш високою температурою і відведена від охолодженого тіла; l- енергія, підведена до робочого тіла. Ефективність зворотного холодильного циклу (рис.20.5) характеризується холодильним коефіцієнтом, тобто відношенням кількості теплоти, відведеної від охолодженого робочого тіла до витраченої роботи циклу.рис. 20.5 - Діаграми зворотних циклів: а – холодильний цикл; б – цикл теплового насосу; в – комбінований цикл. (20.2) Холодильний коефіцієнт циклу Карно:. (20.3) Ефективність теплового насоса (рис.20.5,б) оцінюється коефіцієнтом перетворення відношення теплоти, яка отримана робочим тілом з температурою Тв до механічної роботи, витраченої в установці:. (20.4) Тоді коефіцієнт перетворення для циклу Карно:. (20.5) Трансформатори теплоти, які працюють за комбінованим циклом (рис.20.5, в), можуть знайти застосування на об'єктах, де одночасно потрібні теплота і холод. Прикладом таких підприємств можуть служити підприємства, де необхідна одночасно гаряча вода з температурою 40-70°С на побутові й технологічні потреби і холодна вода з температурою 3-8°С для кондиціонування повітря приміщень.20.4. 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 радіаторуМожлива 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.^ 20.5. Тепловикористовуючі апарати на теплових трубахПринцип дії, призначення і типи теплових труб. Термін "теплова труба" вперше був використаний у патенті Гровера, представленому від імені Комісії з атомної енергії США в 1963 р. Патент Гровера включав опис пристрою і результати експериментів, проведених з трубами з нержавіючої сталі, в яких гніти були виконані з дротяної сітки, а в якості робочої рідини використовувався натрій.Рис.20.10 - Основні елементи теплової труби: а – поздовжній переріз: 1 – гніт; 2 – стінка труби; 3 – повернення рідини по гніту; 4 – пара; 5 – ділянка конденсації; 6 – адіабатна ділянка; 7 – ділянка випару; б – поперечний переріз: 1 – стінка; 2 – гніт; 3 – паровий простір.Теплова труба (ТТ) (рис.20.10) являє собою пристрій з високою ефективністю передачі теплоти. На внутрішній стінці укріплений гніт, зроблений, наприклад, з декількох шарів тонкої сітки. Труба заповнюється невеликою кількістю теплоносія (робочого тіла), після чого з неї відкачується повітря і вона щільно закривається. Один кінець труби нагрівається, чим викликає випар рідини і рух пари до холодного кінця труби. Тут у результаті охолодження пара конденсується і під впливом капілярних сил повертається до гарячого кінця труби. Оскільки теплота паротворення теплоносія велика, то ТТ при малій різниці температур на кінцях може передавати великий тепловий потік. У ТТ розрізняють три ділянки: зона підведення теплоти або ділянка випару 7; зона переносу теплоти або адіабатна ділянка 6; зона відводу теплоти або ділянка конденсації 5. Випарник у розглянутій трубі може розташовуватися по-різному, тому вона працюватиме в будь-якому положенні. ТТ дозволяє транспортувати теплоту в різних напрямках, по будь-якому прямолінійному і криволінійному каналах, оскільки гніт, який змочується в зоні конденсації, завжди подаватиме теплоносій у зону випару. Круговорот теплоносія в ТТ відбувається незалежно від наявності сил ваги. Завдяки цьому ТТ є універсальним теплопроводом, подібно електричному проводу, що призначений для передачі електроенергії чи світловода, що здійснює передачу світла. Ефективність роботи ТТ часто визначають за допомогою показника "еквівалентна теплопровідність". Наприклад, циліндрична ТТ, де в якості робочого тіла використовується вода при температурі 150°С, матиме теплопровідність у сотні разів більшу, ніж мідь. Теплопередаюча здатність ТТ може бути дуже великою. Так, у ТТ, де в якості робочого тіла використовується літій, при температурі 1500°С в осьовому напрямку можна передати тепловий потік 10-20 кВт/см2. Досить різноманітні теплоносії: ацетон, аміак, фреони, дифенілові суміші, вода, ртуть, індій, цезій, калій, натрій, літій, свинець, срібло, вісмут і неорганічні солі. При виборі матеріалів і теплоносіїв для ТТ необхідно враховувати їх сумісність. У противному разі внаслідок хімічної взаємодії теплоносія з матеріалом стінки корпуса утворюються продукти реакції у вигляді газу, які не конденсуються, і твердий осад. Відомі десятки різновидів конструкцій ТТ: гладкостінні, гнітові, відцентрові (обертові), електрогідродинамічні труби, труби з ефектом магнітного поля, осмотичні та ін. Найбільш характерні галузі застосування є енергетика, машинобудування, електроніка, хімічна промисловість, сільське господарство (для утилізації низькопотенційних вторинних енергоресурсів). Найбільше застосування вони знаходять при температурі ВЕР 50 - 250°С, оскільки в даному температурному діапазоні не потрібно застосування дорогих матеріалів та теплоносіїв. Для передачі теплоти по криволінійних каналах можуть бути використані гнучкі теплові елементи. Гнучкість ТТ досягається установкою в корпус трубки (між випарником і конденсатором) гнучкого елемента типу сильфона чи виготовленням трубки з якого-небудь пластичного матеріалу з використанням звичайних металевих секцій для підведення чи відводу теплоти. Основи теорії теплових труб можна розглянути на прикладі гнотових ТТ. Для забезпечення їх роботи необхідне дотримування співвідношення: , де - максимальний капілярний напір, - перепад тиску, необхідний для повернення рідини з зони конденсації у випарник, - перепад тиску, необхідний для повернення пари з випарної зони в конденсаційну; - гравітаційний перепад тиску. При недодержанні цього рівняння гніт у зоні випарювання висохне і не буде працювати^ Таблиця 20.1 - Сумісництво матеріалів ТТ та використованого теплоносія Матеріал Теплоносій Фреон-11 Вода Ацетон Аміак Метиловийспирт Калій Натрій Мідь да да да ні да - - Алюміній да ні да ні ні - - Нержавіюча сталь да ні да ні да да да Вуглецева сталь да ні да ні ні - - Нікель да да да ні да - - ^ Конструкції тепловикористовуючих апаратів з тепловими трубами. Теплообмінники Рис 20.4 - Принципова схема роботи трансформаторів теплоти (а - холодильна установка; б – теплонасосна установка; в – комбінована установка).^ 20.3. Термодинамічні основи процесів трансформації теплотиТрансформатори теплоти, призначені для переносу теплоти з нижчого температурного рівня на більш високий, працюють за принципом зворотних циклів. Найбільш удосконаленим з них є зворотний цикл Карно. На рис. 20.5 представлені зворотні цикли Карно для трансформаторів теплоти, які здійснюють холодильний, теплонасосний і комбінований процеси. Основне рівняння теплового балансу зворотного циклу: qв = q н + l (20.1) де qв і q н - теплота, передана робочому тілу з більш високою температурою і відведена від охолодженого тіла; l- енергія, підведена до робочого тіла. Ефективність зворотного холодильного циклу (рис.20.5) характеризується холодильним коефіцієнтом, тобто відношенням кількості теплоти, відведеної від охолодженого робочого тіла до витраченої роботи циклу.рис. 20.5 - Діаграми зворотних циклів: а – холодильний цикл; б – цикл теплового насосу; в – комбінований цикл. (20.2) Холодильний коефіцієнт циклу Карно:. (20.3) Ефективність теплового насоса (рис.20.5,б) оцінюється коефіцієнтом перетворення відношення теплоти, яка отримана робочим тілом з температурою Тв до механічної роботи, витраченої в установці:. (20.4) Тоді коефіцієнт перетворення для циклу Карно:. (20.5) Трансформатори теплоти, які працюють за комбінованим циклом (рис.20.5, в), можуть знайти застосування на об'єктах, де одночасно потрібні теплота і холод. Прикладом таких підприємств можуть служити підприємства, де необхідна одночасно гаряча вода з температурою 40-70°С на побутові й технологічні потреби і холодна вода з температурою 3-8°С для кондиціонування повітря приміщень.^ 20.4. Теплонасосні установкиКласифікація 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 сьо