Главная » 2018 » Январь » 11 » Тепловой насос


22:13
Тепловой насос

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии Ктр, определяемого для идеального цикла Карно по следующей формуле:

 

{\displaystyle K_{tr}={\frac {T_{out}}{T_{out}-T_{in}}}}

где {\displaystyle T_{out},\ T_{in}} — температуры соответственно на выходе и на входе насоса.

где: Tout — температурный потенциал тепла, отводимого в систему отопления или теплоснабжения, К; Tin — температурный потенциал источника тепла, К. Коэффициент трансформации теплового насоса, или теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ) "Ktr" представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителю, к энергии, затрачиваемой на работу теплонасосной системы теплоснабжения, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах Тоut и Тin, на единицу энергии, затраченной на привод ТН или ТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1 1), на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла. В[2] приведены зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации (К тр) теплонасосной системы теплоснабжения от температуры источника тепла низкого потенциала Тin и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления Тоut. При построении зависимостей, степень термодинамического совершенства ТСТ h была принята равной 0,55, а температурный напор (разница температур хладона и теплоносителя) в конденсаторе и в испарителе тепловых насосов был равен 7 °C. Эти значения степени термодинамического совершенства h и температурного напора между хладоном и теплоносителями системы отопления и теплосбора представляются близкими к действительности с точки зрения учета реальных параметров теплообменной аппаратуры (конденсатор и испаритель) тепловых насосов, а также сопутствующих затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов, систем автоматизации, запорной и управляющей арматуры.

В общем случае степень термодинамического совершенства теплонасосных систем теплоснабжения h зависит от многих параметров, таких, как: мощность компрессора, качество производства комплектующих теплового насоса и необратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают:

  • потери тепловой энергии в соединительных трубопроводах;
  • потери на преодоление трения в компрессоре;
  • потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, а также с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов;
  • механические и электрические потери в двигателях и прочее.

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов в настоящее время может варьироваться от 35 °C до 55 °C, что позволяет использовать практически любую систему отопления. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %[3]. Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты (англ. COP — сокр. от coefficient of performance) и служит показателем эффективности теплового насоса. Для вычисления COP используется следующая формула:

{\displaystyle COP={\frac {Q_{consumer}}{A}}={\frac {Q_{in}\times k}{A}}}

где

{\displaystyle {COP}} — безразмерный коэффициент;
{\displaystyle A} — работа, совершенная насосом [Дж];
{\displaystyle Q_{in}} — теплота, забираемая тепловым насосом из источника низкопотенциального тепла [Дж];
{\displaystyle Q_{consumer}} — теплота, полученная потребителем [Дж].
k- коэффициент полезного действия

Величина A показывает, какую работу необходимо совершить тепловому насосу для «перекачки» определенного объёма тепла. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: то есть температура теплоносителя в «холодной части устройства» должна быть всегда ниже температуры источника низкопотенциального тепла, чтобы энергия от источника низкопотенциального тепла смогла произвольно перетечь к теплоносителю или рабочему телу (Второе начало термодинамики).

то есть COP = 2 означает, что тепловой насос переносит полезного тепла в два раза больше, чем затрачивает на свою работу.

Пример:

Тепловой насос потребляет Pтн = 1 кВт, COP = 3.0 — означает, что потребитель получает Pтн * COP = 1 * 3 = 3 кВт;

потребитель получает Pп = 3 кВт, COP = 3.0 — означает, что тепловой насос потребляет Pп / COP = 3 / 3 = 1 кВт

считаем что КПД компрессора или процесса его заменяющего 100 %

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности более ёмкий источник низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла сохраняется возможность теплу самопроизвольно перетекать от источника низкопотенциального тепла к теплоносителю. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы запас теплоты (С*m*T, c — теплоёмкость, m — масса, T — температура) низкопотенциального источника тепла был бы как можно больше.

Например: газ (рабочее тело) отдает энергию «горячей» части теплонасоса (для этого газ сжимают), после чего охлаждают ниже источника низкопотенциального тепла (может быть использован дроссельный эффект (эффект Джоуля — Томсона)). Газ поступает в источник низкопотенциального тепла и нагревается от этого источника, затем цикл повторяется.

Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большой запас теплоты может быть решена введением в тепловой насос системы переноса тепла теплоносителем, который осуществляет перенос теплоты к рабочему телу. Таким посредником могут быть вещества со значительной теплоёмкостью, например вода.

Хорошо видно, чтобы построить эффективную машину, необходимо подобрать такое рабочее тело, чтобы для сжатия (для извлечения тепла из рабочего тела) компрессор использовал бы минимум энергии, и как можно ниже (резко возрастает возможное число источников) была бы температура рабочего тела при подводе его к источнику низкопотенциального тепла.

КПД теплового насоса приводит многих в замешательство, так как если выполнить «очевидный расчет», то он принципиально больше 1, однако работа теплового насоса полностью подчиняется закону сохранения энергии. То есть если считать тепловой насос «черным ящиком», то действительно, устройство потребляет энергии меньше, чем производит тепла, что принципиально.

Однако, подобные расчеты просто неправильны и не учитывают источник энергии, кроме потребляемого электричества. Таким источником обычно является теплый воздух или вода, нагретые Солнцем или геотермальными процессами. Электроэнергия в устройстве не тратится непосредственно на нагрев, а тратится на «концентрацию» энергии источника низкопотенциального тепла, как правило обеспечивая энергией работу компрессора. Т.е тепловой насос имеет два источника энергии — электричество и источник низкопотенциального тепла, а расчеты не учитывают второй источник, и получаются значения больше единицы.

Пример:

Пусть тепловой насос потребляет из электрической сети 1 КВт и отдает потребителю 4 Квт, и забирает из низкопотенциального источника 5 Квт.

Расчет типа Pпотребителя/Pсети = 4/1 = 4 — неправильный, так как не учитывает источник низкопотенциального тепла.

Правильный расчет для КПД теплового насоса:

Pпотребителя /(Pсети + Pисточника) = 4 /(1 + 5) = 0.67

Как правило, оценить, сколько тепловой насос переносит тепла из источника низкопотенциального тепла, довольно затруднительно, что и приводит к ошибке.

Однако если в расчете учесть и источник низкопотенциального тепла, то КПД машины станет принципиально меньше единицы. Для избежания путаницы были введены коэффициенты: COP и степень термодинамического совершенства. COP показывает во сколько раз тепловая энергия переданная потребителю превышает количество работы необходимой для переноса тепла от низкопотенциального источника, а степень термодинамического совершенства показывает насколько реальный тепловой цикл теплового насоса приближен к идеальному тепловому циклу.

Просмотров: 163 | Добавил: admin | Теги: Тепловой насос | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
avatar