Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тепловой насос
Тепловой насос, устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой (чаще всего — окружающей среды) к теплоприёмнику с высокой температурой. Для работы Теплового насоса необходима затрата внешней энергии (например, механической, электрической, химической). Процессы, происходящие в Тепловом насосе, подобны процессам, осуществляемым рабочим телом в холодильной машине, с той разницей, что назначение холодильной машины — производство холода, а Теплового насоса — производство теплоты. Рабочим телом в Тепловом насосе обычно является жидкость с низкой температурой кипения (например, фреон, аммиак). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.Теплоприёмник Теплового насоса получает, кроме теплоты, эквивалентной совершаемой внешней работе, теплоту, перенесённую от теплоотдатчика, например речной воды; следовательно, коэффициент преобразования энергии в Тепловом насосе всегда больше единицы и такой процесс более выгоден, чем непосредственное превращение электрической, механической или химической энергии в теплоту. Иногда Тепловые насосы применяется для отопления в районах с жарким климатом, так как в летний период эта же установка охлаждает подаваемый в здание воздух. Тепловой насос получил широкое распространение во время 2-й мировой войны 1939—45 в связи с топливными затруднениями, особенно в странах, где имеется в избытке дешёвая электрическая энергия гидростанций (например, в Швейцарии, Швеции, Норвегии и др.).
История возникновения теплового насоса
Концепция тепловых насосов была разработана еще в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году[4] . Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер экспериментировал с морозильной камерой[5] . Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.
В 40-х годах тепловой насос был известен своей чрезвычайной эффективностью, но реальная потребность в нём возникла во время Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда несмотря на низкие цены на энергоносители появился интерес к энергосбережению. Именно тогда докторДжеймс Бозе, профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь собственникам домов, чьи тепловые насосы сбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо слива в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем. Доктор Бозе вернулся в Университет и начал развивать свою идею. С того времени Университет штата Оклахома стал центром исследования и развития геотермальных тепловых насосов. Международная Ассоциация геотермальных тепловых насосов была основана в Оклахоме и располагается в корпусе государственного Университета штата Оклахома, в которой доктор Бозе является исполнительным директором.
|
Первый промышленный тепловой |
Использование тепловых насосов, безусловно, является технологией будущего, но сама идея совсем не нова. На самом деле концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году известным британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттером фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger), которого и считают изобретателем теплового насоса. Именно Риттингер спроектировал и установил первый тепловой насос в 1855 году. Сегодня его именем названа Международная премия по тепловым насосам (медаль с изображением Петера Риттера фон Риттингера), посвящённая достижениям в области теплонасосных и связанных с ними технологий, таких как отопление и кондиционирование воздуха. Последними владельцами этой престижной премии являются профессор Королевского Института Технологий (Стокгольм, Швеция) Эрик Гренрид (Prof. Eric Granryd), профессор Университета Иллинойс (США) Предраг Хнджак (Prof. Predrag S. Hrnjak) и доктор наук Джеральд Грофф (M. Sc. Gerald C. Groff), США, которые были награждены на 9-ой Конференции Международного Энергетического Агентства по тепловым насосам (International Energy Agency Heat Pump Conference), которая проходила 20–22 мая 2008 года в Цюрихе (Швейцария). Следующая Международная конференция по тепловым насосам будет проводиться в июне 2011 года в Токио, Япония.
Условный КПД тепловых насосов
Применение тепловых насосов для обогрева помещений эффективнее отопительных газовых котлов, при этом можно получить экономию газа до 3-5 раз в сравнении с газовыми котлами.[7]. Однако, даже современные парогазотурбинные установки на электростанциях выделяют большое количество тепла, что и используется в когенерации. Тем не менее, при использовании электростанций, которые не генерируют попутное тепло (солнечные батареи, ветряные электростанции, топливные элементы) применении тепловых насосов также более эффективно, чем использование электронагревательных приборов.
В действительности приходится учитывать накладные расходы по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии (то есть услугиэлектрических сетей). В результате отпускная цена электричества в 3-5 раз превышает его себестоимость, что приводит к финансовой неэффективности данной технологии.
Типы
В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).
В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на[8] :
а) замкнутого типа
Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более)[9]. Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.
Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м[10]. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.
Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруде, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объему воды в водоеме для конкретного региона.
б) открытого типа
Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещен законодательством.
По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».
Преимущества и недостатки
К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.
Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы.
Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.
Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.
Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.
Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.
К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.
[править] Перспективы
Для установки теплового насоса необходимы высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300–1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время окупаемости теплонасосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта[источник не указан 214 дней].
Существует и альтернативный взгляд на экономическую целесообразность установки теплонасосов. Так, если установка теплонасоса производится на средства взятые в кредит, экономия от использования теплонасоса может быть меньше, чем стоимость использования кредита. Поэтому массовое использования теплонасосов в частном секторе можно ожидать, если стоимость теплонасосного оборудования будет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети.
Ещё более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).
Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.