Тепловые насосы: принцип действия, характеристики тепловых насосов типа «антифриз – вода»

Принцип работы теплового насоса.

Сначала стоит разобраться в том, что такое тепловой насос, и для чего он предназначен.

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от теплоотдатчика с низкой температурой к теплоприёмнику с высокой температурой; осуществляется с затратой энергии. Рабочие процессы подобны процессам в холодильной машине [1].

Любые тепловые машины работают циклически, тепловые насосы не стали исключением. «Циклом» называется понятие, указывающее на непрерывное изменение состояния системы, результатом этого процесса становится то, что рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, с которого начинались изменения.

Всем нам известен цикл Карно, помогающий в описании и анализе работы идеальной тепловой машины. В 1824 году знаменитый французский физик впервые использовал термодинамический цикл для описания вышесказанного. Этот цикл до сих пор остаётся фундаментальной основой оценки эффективности тепловых насосов, поскольку их можно рассматривать как обращённую тепловую машину [1].

Принципиальная схема теплового насоса и его цикл в T-s диаграмме представлена на рисунке 1 и рисунке 2.

Точка 1 – состояние сухого насыщенного пара, который образовывается после полного испарения жидкого хладагента в испарителе. После этого происходит сжатие хладагента в компрессоре с резким повышением давления, представленном на диаграмме процессом 1-2. Перегретый пар (точка 2) подаётся в конденсатор, где первым делом охлаждается до сухого насыщенного состояния, а затем полностью конденсируется (точка 3), отдавая при этом тепловую энергию. Затем хладагент в жидком состоянии проходит через дросселирующее устройство, в результате чего понижается давление и температура хладагента (процесс 3-4). Процесс 3-4 является изоэнтальпийным, так как он проходит практически адиабатно. Хладагент переходит в процесс 4-1, где происходит его кипение в испарителе, при этом он отбирает тепло от низкопотенциального источника [2].

1 – конденсатор, 2 – дроссель, 3 –испаритель, 4 – компрессор
Рис. 1. Принципиальная схема теплового насоса

1-2 сжатие в компрессоре; 2-3 отвод тепла к потребителю; 3-4 расширение через дроссель; 4-1 подвод тепла от низкопотенциального источника
Рис. 2. Термодинамический цикл теплового насоса в T-s диаграмме

Тепловая энергия для цикла берётся из окружающей среды, а для работы компрессора по перемещению хладагента необходима электрическая энергия. Отсюда делаем вывод, что нет нужды расходовать энергию на подогрев или охлаждение.

Тепловые насосы имеют высокую энергоэффективность, потому что энергия, полученная из окружающей среды, используется для передачи тепла, а не для его производства.

Характеристики тепловых насосов типа «антифриз-вода». График теплопроизводительности теплового насоса в зависимости от температуры источника низкопотенциальной теплоты.

Тепловые насосы типа «антифриз-вода» помогают получать тепло от грунта и грунтовых вод. Антифриз циркулирует через землю и теплообменник, передающий тепло воде в системе отопления.

Можно выделить несколько важных характеристик тепловых насосов подобного типа:

1. Коэффициент трансформации (преобразования) теплового насоса (COP) – отношение теплопроизводительности к теплопотреблению. В различных системах его значение колеблется от 2,5 до 5 [2].

где T_конд – температура конденсации рабочего тела;

T_исп – температура испарения рабочего тела;

α – суммарный коэффициент потер теплового насоса.

2. Температурный диапазон работы. Тепловые насосы типа «антифриз-вода» обычно работают в диапазоне температур от -20˚С до 40˚С.

3. Мощность. Одна из важнейших характеристик, так как именно она показывает, сколько тепла может предоставить насос в помещение. Значения колеблются от нескольких кВт до десятков кВт.

4. Дальность передачи тепла. Зависит от мощности и других характеристик теплового насоса.

5. Ресурс работы. Определяет, сколько тепловой насос моет работать без остановок и перебоев.

6. Тип компрессора (винтовые, центробежные, лопастные).

График теплопроизводительности теплового насоса в зависимости от температуры источника низкопотенциальной теплоты.

Для примера возьмём тепловой насос марки ALTAL GWHP 90H [3].

Таблица

Зависимость теплопроизводительности от температуры источника низкопотенциальной теплоты

Рис. 3. График зависимости теплопроизводительности от температуры источника низкопотенциальной теплоты