2.4. Типы тепловых насосов.

В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов:

- компрессионные (паровые);

- струйные (эжекторного типа);

- абсорбционные.

Компрессионные тепловые насосы. Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а так же для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.

В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны.

На рис. 2.6 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса.

Рис. 2.6. Принципиальная схема идеального компрессионного теплового насоса: I - испаритель, II - компрессор, III - конденсатор, IV - детандер	Рис. 2.7. Схема компрессионного теплового насоса работающего по замкнутому циклу: 1 - испаритель, 2 - компрессор, 3 - конденсатор, 4 - детандер, 5- потребитель тепла, 6 - насос.

В испаритель I подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя I в компрессор II, в состоянии 1 сжимаются до давления р_к и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор III, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер IV (устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, происходит с совершением полезной работы), где происходит расширение рабочего агента от давления р_к до давления р_о, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель I и цикл замыкается.

Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу (рис. 2.7) принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок.

Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили струйные тепловые насосы эжекторного типа. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счёт использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки. Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.

Абсорбционные тепловые насосы. Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т. е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи на выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель. Здесь 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 счёт использования тепла, подведённого извне.

Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий КПД, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.

Проведенные различными организациями исследования показали, что наиболее перспективными для теплоснабжения являются паро-компрессорные ТНУ.

На рис. 2.8 приведена схема и процесс в T-s диаграмме парокомпрессионного теплового насоса. Работа теплового насоса осуществляется за счет подведенной к компрессору КМ электроэнергии. В процессе 1-2 в компрессоре происходит сжатие пара от давления в испарителе Р_о до давления в конденсаторе Р_к. Затем в процессе 2-3 в конденсаторе при Р_к = const происходит охлаждение и конденсация рабочего вещества с отводом теплоты q_ (Q_), которое передается потребителю. В процессе 3-4 происходит расширение (дросселирование) рабочего вещества с Р_к до Р_о, а в процессе 4-1 в испарителе рабочее вещество испаряется при t_о за счет подведенного тепла q_о (Q_о) от низкопотенциального источника теплоты. Это количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на более высокий температурный уровень.

Рис. 2.8. Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН) и

процесс в T-s диаграмме: КМ - компрессор; К - конденсатор;

Др - дроссель; И - испаритель; Р_к; t_к - давление и температура в

конденсаторе; Р_о; t_о - давление и температура в испарителе.

В значительной степени эффективность применения тепловых насосов зависит от источника низкопотенциальной теплоты. Таким источником мог бы быть атмосферный воздух. Однако в зимнее время, когда тепловая нагрузка возрастает, его температура в наших природно - климатических условиях становится слишком низкой, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса. Идеальный вариант для тепловых насосов - наличие вблизи от потребителя источника “сбросной” теплоты промышленного или коммунального предприятия.

В качестве довольно универсального источника низкопотенциальной теплоты можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 8 - 10м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет 5 - 8 °С., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах.