ТЕПЛОВИЙ НАСОС – ТЕХНОЛОГІЯ, ЩО ПОСТІЙНО РОЗВИВАЄТЬСЯ. Ч1

ТЕПЛОВИЙ НАСОС – ТЕХНОЛОГІЯ, ЩО ПОСТІЙНО РОЗВИВАЄТЬСЯ. Ч1

Частина 1 – принцип роботи та будова

Сьогодні, для опалення будівель використовується теплогенератори різних типів.
Широкого застосування набули газові та електричні котли , обладнання для спалювання вугілля чи біомаси. І звичайно, з кожним роком все більше зростає частка обладнання, що використовує відновлювальні джерела енергії. Одним з самих перспективних напрямків розвитку теплопогенеруючого обладнання є застосування теплових насосів. Технологія, яку більше 100 років тому описав видатний британський фізик ВільямТомсон ( лорд Кельвін ), останні десятиліття постійно вдосконалюється.

Ще в 1855 австрійський інженер Петер фон Ріттінгер спроектував та виготовив перший відомий прототип теплового насосу. Масове використання теплових насосів для опалення будівель почалось в 60-70-х роках ХХ століття. Одним із піонерів використання технології теплових насосів для теплопостачання був німецький інженер Клеменс Оскар Ватеркотте, який в 1968 виготовив та змонтував перший в Німеччині геотермальний тепловий насос, для опалення власного будинку.

Принцип роботи теплового насосу

Тепловий насос це пристрій для перенесення теплової енергії від низькопотенціального джерела тепла (наприклад, зовнішнє повітря або грунт) до соживача тепла з високою температурою. Для роботи теплового насосу необхідно використання зовнішньої енергії: механічної, електричної, хімічної і т.п.

Теплові насоси за принципом роботи поділяються на велику кількість різновидів. Це і сорбційні (абсорбційні / адсорбційні) та струйні (пароінжекторні) теплові машини, які застосовуються для утилізації надлишкового тепла; це і термоелектричні теплові насоси, які ми використовуємо у невеликих переносних автомобільних холодильниках. Але беззаперечно, домінуючим типом на ринку теплових насосів є паро-компресійні установки – практично всі побутові теплонасосні машини працюють за цим принципом. Робота паро-компресійного теплового насосу заснована на одному з фундаментальних положень термодинаміки – циклі Карно. Це єдиний оборотний цикл, що відбувється в замкнутій системі та може здійснюватись в прямому та зворотньому напрямках. Відповідно установка на основі циклу Карно може працювати як кондиціонер чи тепловий насос, або поєднувати в одному пристрої функції опалення та охолодження. Компресійні теплові насоси застосовують механічну енергію, використовуючи електроенергію в якості джерела живлення.

Розглянемо більш детально будову та принцип роботи паро-компресійного теплового насосу, що використовує як джерело відбору тепла – навколишнє середовище. Конструкція паро-компресійного теплового насосу складається з таких основних компонентів:

  • конденсатор
  • дросельний клапан
  • випарник
  • компресор

В герметичному контурі теплового насосу знаходиться холодоагент (робоче тіло), в основному, використовуються фреони, що не містять хлору і є безпечними для озонового шару нашої планети. Робочий цикл теплового насосу заснований на перенесенні температури робочим тілом (холодоагентом) внаслідок зміни тиску та фазового переходу – з рідкого стану в газоподібний і навпаки, під впливом механічної дії.

teploviy_nasos_shema_rob

Знаходячись під низьким тиском у випарнику холодоагент здатен кипіти при низькій температурі, що дозволяє відбирати тепло від низькопотенційного джерела енергії: повітря, грунту, води. Далі робоче тіло (газоподібний стан) надходить в компресор, де стискається внаслідок механічної дії, що призводить до різкого підвищення температури. Потім холодоагент подається на теплообмінник – конденсатор, де при високому тиску починає конденсувати. Внаслідок конденсування виділяється тепло, яке передається теплоносію системи опалення. Після конденсатора робоче тіло проходить через дросельний клапан, який знижує тиск, що призводить і до зниження температури. На цьому термодинамічний цикл замикається і холодоагент знову готовий до кипіння та відбору тепла у випарнику. Таким чином теплова потужність теплових насосів на 80% складається з відновлювальної енергії навколишнього середовища і лише 20% енергії використовується для роботи самого теплового насосу. Теплові насоси забезпечують опалення приміщень та гаряче водопостачання. А за наявності в контурі теплового насосу реверсивного вентиля, здатні працювати в зворотньому режимі – здійснювати охолодження приміщень.

Серцем теплового насосу звичайно є компресор, від якого в основному і залежать технічні характеристики установки. Основні типи компресорів, що використовуються в паро-компресорних теплонасосних установках:

  • роторні, в основному застосовуються для установок невеликої потужності. В сучасних повітряних теплових насосах найчастіше використовуються двороторні компресори, які характеризуються збільшеним ресурсом та надійністю. Завдяки такій конструкції компресор може працювати при низькій швидкості обертання, тим самим зменшуючи кількість циклів пуску та зупинок, що суттєво підвищує ефективність роботи теплових насосів. Застосування двох роторів також дозволяє знизити вібрацію та шум.
  • спіральні, найпоширеніші для комплектації теплових насосів малої та середньої потужності. Переваги таких компресорів: висока ефективність, безшумність під час роботи, довговічність , висока надійність (незначна кількість рухомих деталей).

teploviy_nasos_spiral

Застосування інверторної техніки дозволяє забезпечувати високу ефективність теплових насосів із спіральними компресорами у всьому діапазоні потужності. Для будівництва теплових насосів середньої та більшої потужності використовується поєднання двох компресорів , так званий тандем. Такі установки гарантують високу ефективність при зміні теплового навантаження , оптимально пристосовуючись до умов експлуатації.

  • поршневі, для установок середньої та великої потужності
  • гвинтові, для систем великої потужності до 1000 кВт.

Класифікація теплових насосів за джерелом енергії (тепла)

Умовою роботи теплового насосу є наявність джерела енергії, тепло з якого буде відбиратись для забезпечення процесу кипіння робочого тіла у випарнику. За типом джерела тепла насоси поділяються на наступні групи:

  • геотермальні: використання тепла грунту або підземних вод
  • повітряні: використання тепла навколишнього повітря
  • окремо можна виділити теплові насоси, що використовують вторинне тепло іншого теплового процесу, яке потребує утилізації – наприклад, тепло технологічного процесу чи стічні води.

teploviy_nasos_dom

Продовження в наступній частині.

Розкажіть про свої враження або задайте запитання