Термодинамические основы процессов трансформации теплоты

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ

ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛОТЫ

 

Трансформаторы теплоты, предназначенные для переноса теплоты с низшего температурного уровня на более высокий, работают на принципе обратных циклов. Наиболее совершенным из них является обратный цикл Карно.

Основное уравнение теплового баланса обратного кругового процесса

 

q в  =  q н  +  l .

( 1 )

 

Здесь q в и q н – теплота, переданная телу с более высокой температурой и отведенная от охлажденного тела;

l  - энергия, подведенная к рабочему телу.

Эффективность обратного холодильного цикла (рисунок 8, а) характеризуется холодильным коэффициентом, т.е. отношением количества теплоты, отведенной от охлаждаемого тела, к затраченной работе цикла:

 

e  =  q н / l  =  q н /( q в  -  q н) .

( 2 )

 

Холодильный  коэффициент цикла  Карно

 

e к =  Т н  /( T в  -  Tн) .

( 3 )

 

Эффективность теплового насоса (рисунок 8, б) оценивается коэффициентом преобразования j, т.е. отношением теплоты, полученной телом с температурой Т в, к механической работе, затраченной в установке:

 

j  =  q  в  / l  =  q в  / ( q в  -  q н) .

( 4 )

 

Соответственно коэффициент преобразования для цикла Карно

 

j к =  Т в  / ( Т в  -  Тн) .

( 5 )

 

Трансформаторы теплоты, работающие по комбинированному циклу (рисунок 8 , в), могут найти применение на объектах, где одновременно требуется и теплота и холод. Примером таких предприятий могут служить предприятия, где требуется одновременно горячая вода с температурой 40-70 ° С на бытовые и технологические нужды и холодная вода с температурой 3-8 °С для кондиционирования воздуха помещений.

 

 

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

 

Классификация и основные характеристики тепловых насосов

 

Как указывалось выше, тепловые насосы являются разновидностью трансформаторов теплоты и предназначены для получения теплоносителя среднего и повышенного потенциала, используемого на тепловом потреблении.

Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса.

Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,1-2,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.

Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до 40 0С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения Петин Ю.М., Накоряков В.Е. Тепловые насосы/с. 108-110

Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15–18 млн. тепловых насосов различной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насосами. В Швеции наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320 МВт, работающая на принципе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, использует и зимой морскую воду с температурой 4 0С, охлаждая ее до 2 0С. Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла, получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого теплонасосными установками в Швеции, составляет около 50 % от потребного.

Рабочий цикл теплового насоса представлен на рисунке 9.

 

 

Рисунок 9 - Рабочий цикл теплового насоса

 

Низкопотенциальная теплота qн поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в цикле. Источником низкопотенциальной теплоты может быть наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода теплоты Qн к  жидкому хладагенту происходит его превращение в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа lц. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают свое тепло qВ в систему отопления помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент  поступает в дроссель, где его давление падает  до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низкопотенциального источника. Цикл замыкается.

Хладагентами тепловых насосов служат: хлорфторуглеводороды, фторуглеводороды (фреоны), углекислота, аммиак,  пропан, газовые смеси (в том числе и воздух), имеющие при атмосферном давлении низкую температуру кипения.

Теплоотдатчиком в испарителе могут быть источники природной теплоты - наружный воздух, вода естественных водоемов, грунт и т.д. Если теплоотдатчиком служит термальная вода или охлаждающая вода промышленных печей, конденсаторов турбин и других производственных агрегатов, то энергетический эффект работы теплового насоса увеличивается.

Во многих странах мира тепловые насосы нашли широкое применение. Их общая мощность за рубежом сегодня составляет примерно несколько миллионов киловатт. Теплонасосные станции  серийно выпускаются в Англии, Франции, Швеции, Японии, странах СНГ, включая Республику Беларусь, и других странах мира. Только в США сегодня действует более 2 млн. таких установок [6].

  Однако надо признать, что теплонасосные схемы в Республике Беларусь внедряются недостаточно. Это связано как с организацией научных исследований, так и с возможностями промышленности.

Практическое внедрение тепловых насосов в Беларуси началось с установки парокомпрессионных тепловых насосов для отопления  станций «Тракторный завод « и «Партизанская» Минского метрополитена (на основе использования теплоты вытяжного воздуха), для отопления водонасосной станции «Вицковщина» ПО «Минскводоканал» (на основе использования теплоты водопроводной воды), для горячего водоснабжения Борисовского завода пластмассовых изделий и Слуцкого сыродельного комбината (на основе использования теплоты оборотной воды), в технологическом процессе на Минском ГП МЗ им. С.И. Вавилова (на основе использования теплоты сточных вод) [15].

Расчетная эффективность от внедрения тепловых насосов чрезвычайно велика. По сравнению с электрообогревом применение тепловых насосов приводит к 3-5-кратной экономии топлива. Это подтверждено как лабораторными экспериментами, так и опытом эксплуатации соответствующих установок.

Опыт разработки и внедрения тепловых насосов, использующих низкопотенциальную теплоту вытяжного воздуха, оборотной воды, сточных вод, водопроводной воды, речной и грунтовой воды и трансформаторного масла на 19 объектах теплоснабжения в разных регионах республики, показал, что их применение экономично даже при существующем соотношении цен на тепловую и электрическую энергию. Следует отметить, что большинство из внедренных установок теплоснабжения на основе тепловых насосов являются пионерными в СНГ [14].

 

Использование тепловых насосов применительно

к низкопотенциальным источникам теплоты

 

Тепловые насосы можно использовать в качестве индивидуальных систем обогрева жилых домов, отдельно стоящих зданий и сооружений, насосных (канализационных, водоснабжения) и т.п. Так, для теплоснабжения отдельно стоящих различных насосных станций в настоящее время, как правило, используют преобразование электрической энергии в тепловую с помощью калориферов или различных теплоэлектронагревателей (ТЭНов). Суммарная мощность их ограничена 30 кВт. Это вызывает значительные трудности для обеспечения требуемых расчетных температур воздуха внутри насосных станций [8].

Для экономии электроэнергии предлагается применять тепловые насосы типа «вода-воздух».

В насосных станциях источником низкопотенциальной теплоты может служить перекачиваемая жидкость, а нагреваемым теплоносителем - воздух станции. В этом случае тепловой насос должен находиться непосредственно в насосной станции.

По данным, приведенным в [3,6,8 ], наиболее распространенной за рубежом является схема с комбинированным использованием теплоты грунта и солнечной энергии (рисунок 10), хотя сведения об экономической эффективности таких схем пока отсутствуют.

Возможная схема теплонасосного отопления помещения с использованием вентиляционного воздуха показана на рисунок 11, а с использованием теплоты естественных водоемов - на рисунке 12.

 

 

 

     

 

Рисунок  13– Тепловые насосы, установленные на предприятиях Беларуси (Речицкие электросети, «Стекловолокно», Полоцк),  [13]    

Рисунок 14 – Использование теплоты грунта для испарителей

тепловых насосов[13]