Принцип дії і класифікація теплових насосів

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ТАВРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет ІКТ

Кафедра ОПХВ

ВИКОРИСТАННЯ НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНОЇ ТЕПЛОТИ

ЗА ДОПОМОГОЮ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ

методичні вказівки

до практичної роботи з дисципліни "Нетрадиційні джерела енергії"

факультет ІКТ

для студентів денної форми навчання

напряму підготовки 6.050503 "Машинобудування"

Мелітополь

Розробили: ст. викл. Самойчук К.О.

доц., к.т.н. Ялпачик Ф.Ю.,

Рецензент: канд. техн. наук, доцент _________________________

Розглянуто і затверджено на засіданні кафедри ОПХВ

«__» «__________» 2009 р., протокол №

Рекомендовано методичною комісією факультету ІКТ ОПХВ

«__» «__________» 2009 р., протокол №

ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ

Тема: Використання низькопотенційної теплоти за допомогою теплових насосів

Мета: Ознайомлення з конструкцією теплових насосів, перспективними джерелами теплоти низького потенціалу і засвоєння методики розрахунку систем опалення на базі теплових насосів.

Час: 2 год.

Порядок виконання роботи

- представити викладачу виконане завдання для самопідготовки. Умову завдання наведено у п. 1.2;

- проробити практичну частину;

- виконати домашнє завдання.

Завдання для самопідготовки

У процесі підготовки до заняття студент в обов’язковому порядку повинен виконати наступні завдання:

а) вивчити конспект лекцій;

б) опрацювати рекомендовану літературу;

в) занести у зошит для практичних робіт такі матеріали:

1) Які джерела низькопотенційної теплоти в нашому регіоні Вам відомі?

2) Наведіть будову та принцип дії холодильної машини.

3) Надайте загальну схему опалення будинку за допомогою сонячної і геотермальної енергії.

Практична частина

Принцип дії і класифікація теплових насосів

Використання теплових насосів (TН) для опалювання, гарячого водопостачання є способом, альтернативним іншим способам, таким, як традиційне спалювання органічного палива, широко поширене центральне парове або водяне опалювання, електрообігрів і ін.

Тепловий насос здійснює передачу внутрішньої енергії від енергоносія з низькою температурою до енергоносія з більш високою температурою. Оскільки відповідно до другого основного закону термодинаміки теплова енергія без будь-якої зовнішньої дії може переходити тільки з високого температурного рівня на більш низький, для здійснення тепло-насосного циклу необхідно використовувати привідну енергію. Тому процес передачі енергії в напрямку, протилежному природному температурному напору, здійснюється у круговому циклі. На рисунку 1 у приклад наведена схема парової холодильної машини, де робочою речовиною служить кипляча при низькій температурі рідина — холодоагент.

1 — енергоносій, 2 — приймач теплоти; 3 — конденсатор; 4 — регулюючий клапан; 5-компресор; б — випаровувач; 7 — джерело теплоти.

Рисунок 1 – Теплонасосний цикл (холодильна машина)

Енергоносії, які постачають теплову енергію з низькою температурою для здійснення тепло-насосного циклу, називаються джерелами теплоти. Вони віддають теплову енергію шляхом теплопередачі, конвекції і (або) випромінювання. Енергоносії, які сприймають втепло-насосному циклі теплову енергію підвищеного потенціалу, називаються приймачами теплоти. Вони сприймають теплову енергію шляхом теплопередачі, конвекції і (або) випромінювання. Енергоносій, який служить джерелом теплоти, надходить у випаровувач, де випаровується рідкий холодоагент. Теплота випаровування, необхідна для цього, відбирається від джерела теплоти, так як випаровування холодоагенту проходить при низькій температурі.

У круговому циклі пари холодоагенту всмоктуються компресором і стискуються до високого тиску. При стискуванні їх температура підвищується, що створює можливість віддачі теплової енергії теплоприймачу.

Пари холодоагенту при підвищенні тиску надходять у конденсатор, через який протікає енергоносій, що служить приймачем теплоти. Його температура нижча температури пари холодоагенту при підвищеному тискові. При конденсації пари виділяється теплова енергія, яка сприймається теплоприймачем. Із конденсатора рідкий холодоагент через регулюючий вентиль (дросельний клапан) надходить знову у випаровувач, і круговий цикл замикається. У регулюючому вентилі високий тиск, при якому надходить холодоагент із конденсатора, знижується до тиску у випаровувачі. Одночасно знижується його температура.

Таким чином, за допомогою теплового насоса можлива передача теплової енергії від джерела теплоти з низькою температурою до приймача з високою температурою при підводі зовні механічної енергії для привода компресора (приводна енергія). Як видно з рисунка 1, схема холодильної машини і теплового насоса відрізняється тільки призначенням.

До холодильних машин належить обладнання, яке дозволяє здійснити відбирання теплової енергії від тіл з температурою, нижчою від температури навколишнього середовища (тобто виробництво холоду). Якщо необхідно отримати визначену кількість теплоти з високою температурою або одночасно і теплоти, і холоду, таке обладнання належить до теплових насосів.

Як показано на рисунку 1, теплопродуктивність (теплова потужність) теплового насоса складається з двох складових: теплоти, отриманої випаровувачем від джерела теплоти (Qo), і приводної енергії Р, за допомогою якої отримана теплова енергія піднімається на більш високий температурний рівень. Звідси випливає визначення теплових насосів: тепловий насос являє собою пристрій, який сприймає тепловий потік при низькій температурі (на холодній стороні), а також необхідну для привода енергію і передає споживачу тепловий потік, об'єднуючи обидва потоки енергії при підвищеній (порівняно з холодною стороною) температурі.

Це визначення дійсне для компресорних та абсорбційних теплових насосів.

Абсорбційний тепловий насос має також випаровувач і конденсатор, які працюють так само, як у паро-компресорному циклі. Теплота підводиться до випаровувача, викликає кипіння холодоагенту при низькому тиску. Корисне тепло відводиться до конденсатора, всередині якого проходить конденсація при високому тиску. Однак в абсорбційному циклі використовується додатковий контур, в якому протікає рідкий абсорбент або розчинник. Випари холодоагенту поглинаються рідиною при низькому тиску.

Потім рідина спеціальним насосом перекачується в область високого тиску, де підводиться теплота, і незважаючи на високий тиск, пари холодоагенту виділяються з рідини. Оскільки суміш рідкого абсорбенту і холодоагенту практично нестисливі, витрати потужності на насос малі і джерелом первинної енергії є тільки теплота, що підводиться до генератора пари, який завжди має максимальну температуру циклу. Теплота, що виділилась в абсорбері, підсумовується з теплотою від конденсатора.

На сьогодні найбільше розповсюдження дістали паро-компресорні теплові насоси, тому саме для таких систем в подальшому викладаються енергетичні оцінки і розрахунки.

Теплові насоси можна класифікувати за наступною ознакою:

– за принципом дії;

– за використовуваними джерелами низькопотенційного тепла;

– по поєднанню використовуваного низькопотенційного тепла з середовищем, що нагрівається в теплових насосах;

– за видами енергії, що витрачається.

За першою ознакою розрізняють паро-компресорні, абсорбційні і термоелектричні теплові насоси.

Як джерела низькопотенційного тепла для теплових насосів можуть бути використані:

– зовнішнє повітря;

– поверхневі води (річка, озеро, море);

– підземні води;

– ґрунт;

– сонячна енергія;

– низькопотенційне тепло штучного походження (скидні води, нагріті води технологічних процесів і ін.).

При класифікації за поєднанням джерел низькопотенційного тепла і середовища, що нагрівається, розрізняють наступні варіанти:

– повітря-повітря;

– повітря-вода;

– ґрунт-повітря;

– ґрунт-вода;

– вода-повітря;

– вода-вода.

За видами енергії, що витрачається, розрізняють теплові насоси, що використовують електроенергію, паливо того або іншого вигляду, вторинні енергетичні ресурси.