Реферат на тему:
Тепловые насосы
Понятиехолодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения
Обычнохолодильная машина переносит тело от источника, температура которого нижеокружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, — водеили воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или поддержания низкихтемператур в определенном объеме — холодильной камере.
При помощихолодильной машины тепло можно перенести и к источнику, температура которогозначительно выше окружающей среды. Это тепло можно полезно использовать,например, для отопления. В этом случае холодильную машину принято называтьтепловым насосом.
По видузатрачиваемой энергии холодильные машины разделяют на компрессионные,теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляютмеханическую энергию, теплоизолирующие — тепловую энергию источников тепла стемпературой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используютнепосредственно электрическую энергию.
В машинахпервых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого рабочимтелом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). Втермоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потокаэлектронов на атомы.
В зависимостиот свойств и агрегатного состояния рабочих тел, при помощи которыхосуществляются процессы, холодильные машины делятся на паровые и газовые. Впаровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют своеагрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояниерабочего тела не изменяется.
В холодильноймашине обратный круговой процесс, совершаемый за счет механической энергии,полученной в прямом цикле, может осуществляться в различных условиях.
Машинаработает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температурыпереносится к окружающей среде. В этом случае она служит для охлаждения илиподдержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающейсреды к источнику с более высокой температурой холодильная машина работает кактепловой насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится отисточника низкой температуры к источнику с температурой выше окружающей среды,машина работает по теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так идля теплоснабжения.
Тепловойнасос — термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциальногоисточника передается потребителю при более высокой температуре. При этомзатрачивается механическая энергия.
Большуюперспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячеговодоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуетсяпримерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, вкотором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом,построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источниканизкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемоговентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.
Источникомнизкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так иискусственного происхождения. В качестве естественных источниковнизкопотенциального тепла могут быть использованы:
• тепло земли(тепло грунта);
• подземныеводы (грунтовые, артезианские, термальные);
• наружныйвоздух.
В качествеискусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
• удаляемыйвентиляционный воздух;
•канализационные стоки (сточные воды);
•промышленные сбросы;
• теплотехнологических процессов;
• бытовыетепловыделения.
Такимобразом, существуют большие потенциальные возможности использования энергиивокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализацииэтого потенциала.
Ранеетепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования(охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определеннуюотопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющуюпотребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудованиястремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосыиспользуются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичныхрешений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива — использованиеальтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массовогопотребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использованиянетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциальноготепла посредством тепловых насосов.
Существуютразные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем поих оперативным функциям на две основных категории:
• тепловыенасосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые дляобеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячейсанитарной воды;
•интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отоплениепомещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногдаутилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отборомтепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора теплаперегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.
Тепловыенасосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарнойводы, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равнымобразом могут использовать и отводимый воздух.
Следуетотметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов классареверсивные «воздух-вода», чаще всего поставляемых в комплекте срасширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляетсянакопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно всуществующие водопроводные системы.
В Германии идругих странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которыеиспользуют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощностиразработанных моделей самый широкий — от 5 до 70 кВт.
По данным на1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %,или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным вобеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достигуровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины,однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примернаяоценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества вжилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится втабл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия иГреция.
Циклтеплового насоса
/>
Теплообменмежду рабочим телом и источником высокой температуры протекает при конечнойразности температур необратимо. В результате такого теплообмена увеличиваетсяэнтропия:
(Sd — Sc) — (S2 — S3) = delta S
Площадь подпроцессом 4 — 1, характеризующая количество подведенного тепла к рабочему телу,равна площади е — 4' — 5 — к, следовательно, процесс 5 — 4' характеризуетубывание энтропии окружающей среды:
(S1 — S4) — (S5 — S4') = delta S1 > 0
Степеньтермодинамического совершенства этого цикла, как и в холодильном цикле,характеризуется коэффициентом обратимости. Для энергетической оценки циклавводят коэффициент преобразования (трансформации)
j = Q/ L
j = E+ 1
Если холодильнаямашина работает по теплофикационному циклу, то для энергетической оценки этотцикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный, границеймежду которыми является температура окружающей среды.
Примернаясхема теплоснабжения с помощью теплового насоса
Тепловыенасосы могут применяться для отопления зданий при круглогодичномкондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нуждразличных предприятий. Однако использование тепловых насосов должно бытьэкономически обосновано.
/>
Рис.2. Схематеплоснабжения с помощью тепловых насосов.
Схематеплоснабжения с помощью тепловых насосов показана на рисунке. Вода изотопительной установки направляется в сетевой насос СН и нагнетается им дляподогрева в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме ивключенный последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1вода нагревается от температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр.После этого вода направляется в конденсатор второй ступени К2, где нагреваетсядо температуры t1. Далее вода входит в отопительную систему, отдает теплообогреваемым помещениям и при температуре t2 вновь поступает в теплонаноснуюустановку.
Тепло отисточника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе ккипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителяИ в компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. Послекомпрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из нихпоступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимаетсядо давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсаторК2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температурыt1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 черездроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.
Режим работытеплонаносной машины определяется режимом работы отопительной системы. Приповышении наружных температур отопительного сезона работает только компрессорнижней ступени КМ1. При этом весь поток рабочего тела после компрессора КМ1поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1.Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры,воздействующего на дроссельный вентиль Д1.
При болеенизких температурах наружного воздуха включается в работу компрессор КМ2 иконденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазонетемператур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регуляторатемпературы, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень тепловогонасоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, ноприводит к увеличению расхода электроэнергии.
Длякруглогодичного кондиционирования в южных районах (отопление зимой,кондиционирование воздуха летом) распространение получают мелкие теплонаносныеавтоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживаниянебольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки оченькомпактны и используют наружный воздух в качестве источника низкой температуры.Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима натеплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. Вмелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярнаятрубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затрудненийв эксплуатацию.
тепловойнасос термодинамическая температура
Поршневыекомпрессоры
Поршневыекомпрессоры относятся к разряду компрессоры объемного действия, в которыхпроцесс сжатия и перемещения паров хладагента происходит в замкнутомпространстве цилиндра с помощью поршня. Поршневые компрессоры применяются впаровых холодильных машинах. По области применения различают стационарные итранспортные насосы. Кроме того, поршневые насосы подразделяют:
1. По сжимаемымв них хладагентам:
— аммиачные;
— фреоновые(хладоновые);
— универсальные;
2. Повеличине холодопроизводительности:
— малые (до14 кВт);
— средние(14…105 кВт);
— крупные(свыше 105 кВт);
3. По числуступеней сжатия:
— одноступенчатые;
— многоступенчатые(число ступеней обычно не превышает семи);
4. По числуцилиндров:
— одноцилиндровые;
— двухцилиндровые;
— многоцилиндровые (до 16 цилиндров);
5. Взависимости от кинематической схемы и расположения цилиндров в плоскости:
— горизонтальные;
— вертикальные;
— угловые;
— V-образные;
— W-образные;
— VV-образные;
— крестообразные;
— звездообразные;
6. Понаправлению движения хладагента в цилиндре:
— прямоточные(хладагент проходит по цилиндру только в одном направлении);
— непрямоточные (хладагент меняет направление движения, следуя за поршнем);
7. По типупривода:
— сэлектродвигателем;
— сдвигателем внутреннего сгорания;
8. Поконструкции уплотнения картера:
— сальниковые;
— бессальниковые;
— герметичныеи др.
В настоящеевремя наиболее распространенными являются аммиачные и фреоновые (хладоновые),одноступенчатые, сальниковые и бессальниковые поршневые компрессоры простогодействия, вертикальные и V-образные, прямоточные и непрямоточные.
Поршневойкомпрессор (рис.4.) состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которогоперемещается поршень 2 с кольцами, всасывающего и нагнетательного клапанов.Поршень в корпусе совершает возвратно-поступательное движение. Преобразованиевращательного движения привода в возвратно-поступательное движение поршняосуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма. При движении поршнявправо открывается клапан 3, и жидкость заполняет пространство внутри корпуса.При этом клапан 4 закрыт. При движении поршня влево клапан 3 закрыт,открывается клапан 4, и жидкость выталкивается в нагнетательный трубопровод.
/>
Рис.4. Схемапоршневого насоса.
1 — корпус; 2- поршень; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетательный клапан.
Поршневыекомпрессоры имеют следующие достоинства:
— высокий КПД(до 95 %);
— возможностьполучения высоких давлений;
— независимость подачи от противодавления сети;
— возможностьзапуска в работу без предварительного залива (при использовании в качественасосов).
К недостаткамотносится:
— громоздкость конструкции;
— невозможность использования для привода высокоскоростных электродвигателейиз-за сложности привода через кривошипно-шатунный механизм;
— сложностьрегулирования подачи.
Для поршневыхкомпрессоров предназначенных для транспортных машин большинство деталейизготавливаются из легких материалов и сплавов. Компрессоры автомобильных ижелезно-дорожных холодильных машин строятся с воздушным охлаждением и поэтомуимеют высокую степень оребренности. Не только цилиндры и крышки цилиндров, но икартер имеет ребра.
Работакомпрессоров транспортных машин в условиях тряски и вибрации, а такжесложность, в ряде случаев и невозможность выполнения ремонта в дорожныхусловиях вызывают необходимость в значительном увеличении прочности деталей,особенно корпусных, и в повышении общей надежности компрессоров.
Компрессорыиспользуются практически во всех отраслях народного хозяйства. Сжатый воздухкак энергоноситель применяется в различных пневматических устройствах намашиностроительных и металлообрабатывающих заводах, в горно-добывающей инефтяной промышленности, при производстве строительных и ремонтных работ.Компрессоры необходимы в газовой промышленности при добыче, транспортировке ииспользовании природных и искусственных газов.
В химическойпромышленности газовые многоступенчатые компрессоры используются в циклахсинтеза химических продуктов при высоком давлении. В последнее время сжатыйвоздух, получаемый от поршневых компрессоров, находит применение в текстильнойпромышленности как энергоноситель для проведения ткацкого процесса.
В установкахумеренного и глубокого холода, а также в газотурбинных установках компрессорыявляются органической частью, в значительной степени, определяющейэкономичность агрегатов.