Енергозбереження у теплових насосах.

11.4.1. Загальні положення.

Тепловий насос (ТН) – це інженерна система, що спроможна за допомогою високо потенційної енергії (електроенергії) “перенести” певну кількість низь­ко­тем­пе­ратурної (–4 ^оС...+30 ^оС) теплоти на високотемпературний (50 ^оС...80^оС) рівень.

Як правило, низькотемпературна теплота – непридатна для використання в промисловості і являє собою “природно поновлювану”, тобто практично у без­кінечної кількості, теплоту грунтові води, поверхневі води, теплоту грунту, ат­мосферне повітря, скидну теплоту виробничих процесів, стічної води підпри­єм­ств, стічної води біологічних та очисних споруд, стічної води житлових маси­вів. Одержана від теплових насосів високотемпературна теплота стає придат­ною для промислового використання.

Як вам відомо з навчальної дисципліни “Термотрансформатори”, кількість високотемпературної теплоти після ТН дорівнює сумі “перенесеної” низько- тем­пературної те­п­лоти та витраченої на роботу ТН високо потенційної енергії.

Саме в цьому полягає енергетична і економічна ефективність ТН.

Експлуатація ТН потребує реалізації холодильного циклу, тобто застосу­ван­ня компресора, і використання певної кількості робочого тіла – холодоагенту, що може випаровуватись, і тим самим сприймати (відбирати) теплоту від низькотемпературного джерела за умов низької температури і прийнятного тиску кипіння-конденсації.

Існує два принципово відмінних напрями розвитку ТН: Парокомпресійні ТН – т.зв. ПТН та Абсорбційні ТН– т.зв. АТН.

Для парокомпресійних теплових насосів (ПТН) використовуються наступні холодоагенти:

- високо температурні (-10 ^оС ) киплячі (киплять при низьких тисках). R142, R124, R236, R744, CO₂. Застосовуються у високотемпературних ПТН .

- середньо температурні (–10... –60 ^оС ) киплячі (киплять при середніх тисках). R134, R152, (R22+R142). Застосовуються у середньо-температурних ПТН .

- низькотемпературні (–60...–80 ^оС ) киплячі (киплять при низьких тисках). R22, R407. Застосовуються у низько-температурних ПТН .

Застосування ПТН набуває поширення, насамперед в регіонах, керівництво яких створює економічні передумови їх застосування. Наприклад, в Білорусі експлуатуються ПТН, характеристики яких наведено в табл. 11.1.

Таблиця 11.1.

Парокомпресіні теплові насоси (ПТН) в Білорусі.

Нижче, на рис 11.1., представлена принципова схема ПТН.

Рис. 11.1. Принципова схема парокомпресійного ТН (ПТН).

Відомий всім побутовий холодильник є тепловим насосом, він “вбирає” в се­бе низькотемпературну ( +18 ^оС ) теплоту кімнатного повітря і “підвищує” її до високотемпературного ( +45 ^оС) рівня на поверхні конденсатора (КД).

В побутовому холодильнику високотемпературна теплота одержана в КД не ви­користовується, натомість, відбір теплоти (охолодження) від продуктів, що заходяться в ньому використовується для зберігання продуктів.

В процесі експлуатації ТН джерело низькотемпературної теплоти буде без­пе­ревно охолоджу­ватись і завдяки постійному притоку теплоти за рахунок теп­ло­провідності (або коніекції) до місця її відбору процес може тривати “безкінеч­но” довго.

В зоні холодного джерела на поверхні хо­лод­ного колектора температура може знизитися до утворення на ній льоду, тер­міч­ний опір якого зменшить темпера­тур­ний перепад Δt₁, ^oC. В зв’язку із чим кіль­кість теп­лоти, що сприймає ТН від холодного джерела, за законом теплопере­дачі, змен­шується з часом.

Ця проблема вирішується реалізацією двох технічних рішень:

- або періодичним розмороженням “холодного” контуру ТН активізуючи його резервну повехню;

- або розрахунком теплової потужності ТН га мінімально-ста­біль­ний тепло­при­­ток до навіть обледенілого холодного колектора з достатньо великою йо­го по­ве­р­х­нею теплообміну.

Критерієм ефективності ТН в плані енергозбереження є коефіцієнт перетво­рення енергії – ε_ТН = Q₂ / Q₁ = (Q₁, + W) / Q₁ = 1 + W/Q₁, який опосередковано означає – яку кількість ви­со­котемпературної теплоти – Q₂, кВт,год, одержить спожи­вач, витративши на роботу компресора певну кількість кВт.год електрич­ної енергії

Зрозуміло, що споживачу потрібні ТН з якомога нижчими значеннями кое­фі­ці­єнта перетворення. В ТН з низькими ε_ТН -витрати електричноїенергії на привод компресора – мізерні у порівнянні з кількістю низькотемпературної теплоти, яку ТН трансформує у висоскотемператрну теплоту. Величина ε_ТН визначається параметрами термодинаміч­ногоциклу, який буде організовано в ТН з холодоагентом.

Енергетична доцільність застосування ТН полягає в тому, що витративши наприклад, 100 кВт.год електричної потужності можна одержати 460...600 кВт.год високотемпературної теплоти, вагомою складовою якої є безкоштовна теплота, “відібрана” від холодного джерела.

В цьому полягає цінність ТН як інструмента енергозбереження. ТН здатен ви­тіснити високотемпературну теплоту в кількості (900 кВт.год) органічного палива висо­котемпературною теплотою в кількості тих же 900 кВт.год, але від теплового насосу, витративши 400 кВт.год електричної енергії. 500 кВт.год – буде безкоштовним додатком теплоти від холодного джерела.

Кількісну оцінку енергозбереження при застосування ТН можна здійснити лише за допомогою зображення термодинамічного циклу та його параметрів ефективності.

Зображення термодинамічного циклу парокомпресійного ТН наведено нижче, на рис. 11.1.

Рис.11.1. Термодинаміка ПТН з холодоагентом – R-717 (аміаком)