Тема 6.2 Трансформаторы теплоты
Как уже указывалось выше, тепловые насосы являются разновидностью трансформаторов теплоты и предназначаются для получения теплоносителя среднего и повышенного потенциала, используемого на тепловом потреблении.
Компрессионные тепловые насосы могут работать как по замкнутому циклу, так и по разомкнутому процессу. В зависимости от способа осуществления трансформации теплоты применяются различные схемы и оборудование теплонасосных установок.
Схема теплового насоса, работающего по замкнутому циклу (рис. 9-8), принципиально ничем не отличается от схемы паровой компрессионной холодильной установки.
Однако присоединение потребителей в холодильных и теплонасосных установках осуществляется по разному. В схемах теплонасосных установок потребитель тепла присоединен к конденсатору. Рабочими агентами тепловых насосов служат: фреон-11, фреон-21, фреон-113, фреон-114, фреон-142, имеющие сравнительно высокую нормальную температуру.
Теплоотдатчиком в испарителе могут быть источники природной теплоты – наружных воздух, вода естественных водоемов. грунт. Если теплоотдатчиком служит термальная вода или охлаждающая вода промышленных печей, конденсаторов турбин и других производственных агрегатов, то энергетический эффект работы теплового насоса увеличивается. На графике Т, s - диаграммы (см. рис.9-2, б ) это соответствует перемещению вверх изотермы То и уменьшению затраты энергии l .
Отдаваемая в конденсаторе установки теплота идет на подогрев воды в отопительно-вентиляционных системах или на горячее водоснабжение. Температура подогрева воды обычно не превышает 60-80˚С.
При незначительном повышении температур тепловые насосы расходуют в 2,0 – 2,5 раза меньше энергии на единицу выработанного тепла, чем установка, с непосредственным электрообогревом у тепловых потребителей.
Компрессионные тепловые насосы, работающие по разомкнутому процессу (их также называют механическими термокомпрессорами), применяются для повышения параметров пара. Теплонасосные установки могут работать по повысительной и расщепительной схемам.
В первом случае теплота, подведенная к установке при температуре нижнего источника (теплоотдатчика) Тн, поднимается до температуры теплоприемника Тв.
Во втором случае к установке подводится тепловой поток при средней температуре Тс, который в установке расщепляется (разделяется) на два потока – низкого потенциала с температурой Тн и повышенного потенциала с температурой Тв.
Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили паровые струйные тепловые насосы эжекторного типа.
В этих установках трансформация теплоты осуществляется по разомкнутой повысительной схеме (рис.9-10).
Пар высокого давления с параметрами Рр и Тр поступает в струйный аппарат. За счет использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока с параметрами Рн и Тн . Из аппарата выходит смесь потоков с параметрами Рс и Тс . Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура (а следовательно, и энтальпия ). Сжатый поток пара затем выводится из установки.
Степень повышения давления Рс / Рн в таких аппаратах, называемых струйными компрессорами, сравнительно невелика и находится в пределах 1,2 ≤ Рс/Рн ≤4.
Рабочий поток с параметрами Рр расширяется в сопле от давления Рр до давления Рк. Инжектируемый газ с параметрами Рн расширяется на выходном участке камеры смешения до давления Рк. В камере смешения происходит выравнивание скоростей рабочего и инжектируемого пара и частичное повышение давления смешиваемых потоков.
Смешанный поток поступает в диффузор, где происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную и тепловую энергию – повышается давление и энтальпия смешанного потока. Конечное состояние пара, выходящего из компрессора, характеризуется параметрами Рс .
Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения (абсорбции) водяного пара водными растворами щелочей. Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т.е. с выделением теплоты. Эта теплота расходуется на подогрев раствора до температуры абсорбируемого пара. Нагретый раствор щелочи по выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель, где генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счет использования теплоты, подведенной извне.
Абсорбционные тепловые насосы, так же как и компрессионные тепловые насосы, могут работать по повысительной и расщепительной схемам (рис. 9-12).
Работа по повысительной схеме (рис.9-12, а) осуществляется следующим образом. Пар низкого давления Рн поступает в абсорбер, где нагревает раствор щелочи до температуры более высокой, чем температура его насыщения (кипения). Полученный в абсорбере высокотемпературный раствор подается в генератор пара, где из питательной воды образуется вторичный пар повышенного давления Рс .
В процессе поглощения водяного пара в абсорбере падает концентрация щелочи в водном растворе, что приводит к снижению температуры абсорбции. Для поддержания заданного теплового режима необходимо повышать концентрацию раствора, возвращаемого из генератора в абсорбер. Поэтому раствор, выходящий из генератора, направляют в испаритель для частичного выпаривания. На этот процесс затрачивается теплота пара высокого давления Рв . Вторичный пар испарителя имеет давление Рс. Из испарителя раствор высокой концентрации подается в абсорбер. Регенеративный поверхностный теплообменник применяется для улучшения тепловой схемы установки; в нем раствор высокой концентрации нагревает раствор, идущий из генератора в испаритель, - этим достигается экономия в расходе пара высокого давления Рв .
Таким образом, затратив в установке необходимое количество пара высокого и низкого давления, можно получить пар среднего давления.
Работа абсорбционного теплового насоса по расщепительной схеме (рис. 9-12, б) протекает аналогично описанной выше установке, с той лишь разницей, что в испаритель и абсорбер подводится пар одного (среднего) давления, который затем в тепловом насосе расщепляется на два потока: пар повышенного давления (в генераторе) и пар низкого давления (в испарителе).
Каждый из рассмотренных типов теплонасосных установок имеет свои преимущества и недостатки.
Компрессионные тепловые насосы имеют сравнительно высокий к.п.д. и небольшие габариты. Недостатком их является высокая стоимость и сложность изготовления, а также большие расходы механической энергии при значительном повышении давления пара. Область применения этих тепловых насосов – установки большой производительности с небольшим повышением давления.
Струйные тепловые насосы (струйные компрессоры) просты в изготовлении и обслуживании, очень компакты и дешевы. К недостаткам струйных компрессоров можно отнести низкий к.п.д. (около 20-25%), который ухудшается при работе компрессора в режимах, отличных от расчетного. Возможность работы струйных компрессоров только по повысительной схеме ограничивает область их применения. Все же струйные тепловые насосы благодаря своим преимуществам получили в настоящее время наибольшее распространение.
Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий к.п.д., могут работать по расщепительной схеме, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные тепловые насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Циркулирующий в установке раствор щелочи может вызвать загрязнения вырабатываемого пара и усложняет условия эксплуатации. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности
Довольно широко применяются тепловые насосы в выпарных установках пищевой, химической, фармацевтической, текстильной и бумажной промышленности. Весьма целесообразно применение трансформаторов теплоты, осуществляющих комбинированное производство теплоты и холода (например, зимой – выработка теплоты для отопления зданий, летом – выработка холода для кондиционирования воздуха). При этом годовое число часов работы оборудования увеличивается примерно вдвое.
Целесообразно также комплексное (одновременное) производство теплоты и холода. В этом случае необратимые потери в холодильном цикле утилизируются тепловым насосом; последний получает постоянно теплоту за счет работы холодильной машины. Большие возможности эффективного применения тепловых насосов имеются при использовании природных энергетических ресурсов: солнечной энергии и термальных вод.