Енергетичні установки на основі теплових насосів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Альтернативні джерела енергії

 Коментарі до статті

Запровадження

Теплопостачання в умовах Росії з її тривалими та досить суворими зимами вимагає дуже великих витрат палива, які перевищують майже 2 рази витрати на електропостачання. Основними недоліками традиційних джерел теплопостачання є низька енергетична (особливо на малих котельнях), економічна та екологічна ефективність (традиційне теплопостачання є одним із основних джерел забруднення великих міст). Крім того, високі транспортні тарифи на доставку енергоносіїв погіршують негативні фактори, притаманні традиційному теплопостачанню.

Не можна не враховувати і такого серйозного термодинамічного недоліку, як низький ексергетичний ККД використання хімічної енергії палива для систем теплопостачання, який у системах опалення становить 6-10%.

Надзвичайно великі витрати на теплові мережі, які є, ймовірно, найненадійнішим елементом у системах централізованого теплопостачання. Питома аварійність для трубопроводів діаметром 1400 мм становить одну аварію на рік на 1 км довжини, а труб меншого діаметра - близько шести аварій. Якщо врахувати, що загальна довжина теплових мереж у Росії доставляє 650 тис. км, а повної заміни потребують 300 тис. км, стає очевидним, що будівництво та підтримка теплових мереж у робочому стані вимагають витрат, порівнянних із вартістю ТЕЦ або районних котелень.

Усі перелічені негативні чинники традиційного теплопостачання вимагають інтенсивного використання нетрадиційних методів.

Одним з таких методів є корисне використання розсіяного низькотемпературного (5-30°C) природного тепла або промислового скидного тепла для теплопостачання за допомогою теплових насосів.

Теплові насоси через те, що вони позбавлені більшості перелічених недоліків централізованого теплопостачання, знайшли широке застосування за кордоном, якщо в 1980 р. в США працювало близько 3 млн. теплонасосних установок, в Японії 0,5 млн., у Західній Європі 0,15, 1993 млн., то 12 р. загальна кількість працюючих теплонасосних установок (ТНУ) у розвинених країнах перевищила 1 млн., а щорічний випуск становить понад 2020 млн. Масове виробництво теплових насосів налагоджено практично у всіх розвинених країнах. За прогнозом Світового енергетичного комітету до 75 р. у передових країнах частка опалення та гарячого водопостачання за допомогою теплових насосів становитиме XNUMX%.

Основні позначення, індекси та скорочення

Позначення величин

• з - теплоємність, кДж/(кг? К);
• d - вологовміст водяної пари повітря, кг/кг;
• G – масова витрата, кг/с;
• H – теплоперепад, Дж/кг, кДж/кг;
• h - ентальпія, Дж/кг, кДж/кг;
• р – тиск, Па, кПа;
• n – частота обертання, 1/c;
• N – потужність, Вт, кВт, МВт;
• q - питома витрата теплоти, Дж/Дж, кДж/кДж;
• Q – кількість теплоти, Вт, кВт, МВт;
• s - ентропія, Дж/(кг К), Дж/(кг К);
• t - температура, ° C;
• T - температура, К;
• v - питомий об'єм, м3/кг;
• х – ступінь сухості пари;
• h – ККД;
• h м – механічний ККД;
• p - ступінь підвищення (зниження) тиску;
• s – коефіцієнт збереження тиску.

Індекси

• у повітря;
• вд – вода;
• вл – вологий;
• вн – внутрішній;
• до - кінцевий;
• конд – конденсація;
• п - пара;
• см – суміш;
• ср - середній;
• сухий - сухий;
• р – розрахунковий;
• s – насичення;
• i – внутрішній;
• 0 – початковий; розрахунковий; номінальний;
• ж – рідина.

скорочення

• ККД – коефіцієнт корисної дії;
• ТНУ – теплова насосна установка.

Принцип роботи теплового насоса

Принцип роботи теплового насоса випливає з робіт Карно та опису циклу Карно, опублікованого в його дисертації в 1824 р. Практичну теплонасосну систему запропонував Вільям Томсон (лорд Кельвін) у 1852 р. Вона була названа помножувач тепла і показувала, як можна холодильну машину цілей опалення. В обґрунтуванні своєї пропозиції вже тоді Томсон вказував, що обмеженість енергетичних ресурсів не дозволить безперервно спалювати паливо в печах для опалення і що його помножувач тепла споживатиме менше палива, ніж звичайні печі. Запропонований Томсоном тепловий насос (ТН) використовував повітря як робоче тіло. Навколишнє повітря засмоктувалося в циліндр, розширювалося охолоджуючись від цього, а потім проходив теплообмінник, де нагрівався зовнішнім повітрям. Після стиснення до атмосферного тиску повітря з циліндра надходить в приміщення, що обігрівається, будучи нагрітим до температури вище навколишньої. Фактично така машина була реалізована у Швейцарії. Томсон заявив, що його ТН здатний давати необхідне тепло при використанні лише 3% енергії, що витрачається на опалення.

Подальший свій розвиток теплонасосні установки отримали лише у 20-х та 30-х роках 20 століття, коли в Англії було створено першу установку, призначену для опалення та гарячого водопостачання з використанням тепла навколишнього повітря. Після цього розпочалися роботи у США, що призвели до створення кількох демонстраційних установок.

Першу велику теплонасосну установку в Європі було введено в дію Цюріху в 1938-1939 роках. У ній використовувалися тепло річкової води, ротаційний компресор та хладогент. Вона забезпечувала опалення ратуші водою з температурою 60 С при потужності 175 кВт. Існувала система акумулювання тепла з електронагрівачем для покриття пікового навантаження. У літні місяці установка працювала на охолодження. У період з 1939 до 1945 року було створено ще 9 подібних установок, з метою скорочення споживання вугілля в країні. Деякі з них успішно пропрацювали понад 30 років.

Отже, в 1824 р. Карно вперше використав термодинамічний цикл для опису процесу, і цей цикл залишається фундаментальною основою для порівняння з ним та оцінки ефективності ТН. Тепловий насос можна як звернену теплову машину. Теплова машина отримує тепло (рис. 1.1.1) від високотемпературного джерела та скидає його за низької температури, віддаючи корисну роботу. Тепловий насос вимагає витрати роботи для одержання тепла за низької температури та віддачі його за більш високої.

Рис.1.1.1. Термодинамічна схема теплового насоса та теплового двигуна. 1-тепловий насос; 2 – тепловий двигун.

Можна показати, що якщо обидві ці машини оборотні (тобто термодинамічні процеси не містять втрат тепла або роботи), то існує кінцева межа ефективності кожної з них, і в обох випадках це ставлення Qн/W. Якби це було не так, то можна було б побудувати вічний двигун просто з'єднавши одну машину з іншою. Тільки у випадку теплової машини це відношення записується у вигляді W/Qн і називається термічним ККД, а для теплового насоса воно залишається у вигляді Qн/W і називається коефіцієнтом перетворення теплоти (Кт).

Якщо вважати, що тепло ізотермічно підводиться при температурі TL і ізотермічно відводиться при температурі TH, а стиснення та розширення виробляються при постійній ентропії (рис. 1.1.2), робота підводиться від зовнішнього двигуна, то коефіцієнт перетворення для циклу Карно матиме вигляд: Кт = TL / ( TН - TL ) + 1 = TН / ( TН - TL )

Ріс.1.1.2

Таким чином, ніякий тепловий насос не може мати кращої характеристики, і всі практичні цикли лише реалізують прагнення максимально наблизитися до цієї межі.

Класифікація теплових насосів

В даний час створено і експлуатується велика кількість теплових насосних установок, що відрізняються за тепловими схемами, робочими тілами та обладнанням, що використовується. За позначенням різних класів установок, у відомих нам літературних джерелах, немає єдиної думки, що зустрічаються, зустрічаються різні позначення і терміни.

У зв'язку з цим важливе значення набуває класифікація установок, що дозволяє проводити розгляд їх властивостей відповідно до тієї чи іншої групи. Усі типи теплових насосних установок можна класифікувати за низкою подібних ознак. Кожен їх відбиває лише одну характерну особливість установки, у визначенні теплонасосной установки може бути дві і більше ознаки.

Класифікацію теплонасосних установок слід здійснювати перш за все за циклами їх роботи. Можна виділити кілька основних типів теплових насосів:

• повітряно-компресорні теплові насоси;
• теплові насоси з механічною компресією пари (парокомпресійний цикл);
• абсорбційні теплові насоси;
• теплові насоси, засновані на використанні ефекту Ранка;
• теплові насоси, засновані на використанні подвійного циклу Ренкіна;
• теплові насоси, що працюють за циклом Стірлінга;
• теплові насоси, що працюють за циклом Брайтона;
• термоелектричні теплові насоси
• - обернений паливний елемент;
• теплові насоси із використанням теплоти плавлення;
• теплові насоси із використанням механохімічного ефекту;
• теплові насоси з використанням магнетокалоричного ефекту.

Усі теплові насоси за принципом взаємодії робочих тіл можна об'єднати у дві основні групи: 1) відкритого циклу, в яких робоче тіло забирається та віддається у зовнішнє середовище; 2) замкнутого циклу, в яких робоче тіло рухається замкнутим контуром, взаємодіючи з джерелом і споживачем теплоти лише за допомогою теплообміну в апаратах поверхневого типу.

Розрізняють одно- і двоступінчасті і каскадні ТНУ, а також ТНУ з послідовним з'єднанням по теплоносіям, що нагрівається і охолоджується, з протиточним їх рухом.

За призначенням: стаціонарні та пересувні, для акумулювання теплової енергії та її транспорту та утилізації скидного тепла.

За продуктивністю: великі, середні, дрібні.

За температурним режимом: високотемпературні, середньотемпературні та низькотемпературні.

За режимом роботи: стаціонарні, нестаціонарні, безперервні або циклічні, нестаціонарні з акумулятором теплової енергії.

На вигляд холодильного агента: повітряні, аміачні, фреонові, на сумішах холодильних агентів.

По виду споживаної енергії: з приводом від електродвигуна або газової турбіни або газової турбіни, що працюють на вторинних енергоресурсах та ін.

Дивіться інші статті розділу Альтернативні джерела енергії.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Загроза космічного сміття для магнітного поля Землі 01.05.2024

Все частіше ми чуємо про збільшення кількості космічного сміття, що оточує нашу планету. Однак не тільки активні супутники та космічні апарати сприяють цій проблемі, а й уламки старих місій. Зростання кількості супутників, які запускає компанії, як SpaceX, створює не тільки можливості для розвитку інтернету, але й серйозні загрози для космічної безпеки. Експерти тепер звертають увагу на потенційні наслідки для магнітного поля Землі. Доктор Джонатан Макдауелл з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики підкреслює, що компанії стрімко розвертають супутникові констеляції, і кількість супутників може зрости до 100 000 наступного десятиліття. Швидкий розвиток цих космічних армад супутників може призвести до забруднення плазмового середовища Землі небезпечними уламками та загрози стійкості магнітосфери. Металеві уламки від використаних ракет можуть порушити іоносферу та магнітосферу. Обидві ці системи відіграють ключову роль у захисті атмосфери і підтримують ...>>

Застигання сипких речовин 30.04.2024

У світі науки існує досить загадок, і однією з них є дивна поведінка сипких матеріалів. Вони можуть поводитися як тверде тіло, але раптово перетворюватися на текучу рідину. Цей феномен став об'єктом уваги багатьох дослідників, і, можливо, нарешті ми наближаємося до розгадки цієї загадки. Уявіть собі пісок у пісочному годиннику. Зазвичай він тече вільно, але в деяких випадках його частинки починають застрягати, перетворюючись з рідкого стану на тверде. Цей перехід має важливе значення для багатьох областей, починаючи від виробництва ліків та закінчуючи будівництвом. Дослідники зі США спробували описати цей феномен і наблизитися до його розуміння. У ході дослідження вчені провели моделювання в лабораторії, використовуючи дані про пакети полістиролових кульок. Вони виявили, що вібрації усередині цих комплектів мають певні частоти, що означає, що через матеріал можуть поширюватись лише певні типи вібрацій. Отримані ...>>

Випадкова новина з Архіву Найтвердіший сплав 06.08.2016 Група вчених з університетів Техасу та Флориди отримала найтвердіший із відомих біосумісних матеріалів. Ним виявився сплав титану із золотом b-Ti3Au. Титан досить інертний, щоб не взаємодіяти з живими тканинами та не окислюватися в організмі, але іноді йому не вистачає міцності. У середньому титанові протези слід заміняти кожні 10 років через знос. Тому перед вченими давно стояло завдання знайти інший, міцніший і водночас біосумісний матеріал. Попередні експерименти зі сплавами титану зі сріблом і міддю показували непогані результати, проте дослідники припустили, що якщо використовувати в сплаві метал, за властивостями подібне до міді або срібла, але при цьому з більшою атомною масою, сплав виявиться міцнішим. Вибір зупинили на золоті: воно давно застосовується у протезуванні. Керівник дослідження, професор Емілія Моросан (Emilia Morosan) з університету Райса в Х'юстоні, Техас повідомила, що відкриття було зроблено під час вивчення магнітів із титану та золота. Щоб перевірити речовини на домішки, співробітникам лабораторії потрібно було одержати із зразків металеву пудру. У випадку з Ti3Au це не вдалося: діамантова тертка не впоралася зі сплавом. Після низки експериментів вдалося виявити ідеальне співвідношення металів у металі. В результаті вийшов метал вчетверо міцніший, ніж ті, що зараз використовуються у виробництві протезів.

Інші цікаві новини:

▪ Перший радянський метеосупутник через 43 роки після запуску зійшов із орбіти

▪ Специфікація MIPI CSI-2 v1.3

▪ Електробайк із рекордним запасом ходу

▪ N-канальні MOSFET-транзистори типу STx9NK60ZD

▪ Нові дзеркала з функцією відеореєстрації від Neoline

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Стабілізатори напруги. Добірка статей

▪ стаття Джон Локк. Знамениті афоризми

▪ стаття Що таке линяння? Детальна відповідь

▪ стаття Начальник відділу збуту. Посадова інструкція

▪ стаття Світловий сигналізатор телефонних дзвінків Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Резистори з нульовим опором та перемички. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024