Heat Pump Technology -news-94 - Kolant,professional Europe style heat pump factory,Mitsubishi tech since 1988

Технология тепловых насосов

Тепло естественным образом течет от более высокой температуры к более низкой. Однако тепловые насосы способны заставить тепловой поток двигаться в другом направлении, используя относительно небольшое количество высококачественной приводной энергии (электричество, топливо или высокотемпературное отработанное тепло). Таким образом, тепловые насосы могут передавать тепло от естественных источников тепла в окружающей среде, таких как воздух, земля или вода, или от искусственных источников тепла, таких как промышленные или бытовые отходы, в здание или промышленное предприятие. Тепловые насосы также могут использоваться для охлаждения. При этом тепло передается в обратном направлении, от охлаждаемого объекта к окружающей среде с более высокой температурой. Иногда избыток тепла, полученный при охлаждении, используется для удовлетворения одновременного спроса на тепло.

Для переноса тепла от источника тепла к радиатору необходима внешняя энергия, которая приводит в действие тепловой насос. Теоретически, общее количество тепла, подаваемого тепловым насосом, равно количеству тепла, извлеченного из источника тепла, плюс количество энергии, поданной на привод. Тепловые насосы с электрическим приводом для отопления зданий обычно поставляют 100 кВт/ч тепла, затрачивая всего 20-40 кВт/ч электроэнергии. Многие промышленные тепловые насосы могут достигать еще более высокой производительности и поставлять такое же количество тепла, затрачивая всего 3-10 кВт/ч электроэнергии.

Поскольку тепловые насосы потребляют меньше первичной энергии, чем традиционные системы отопления, они являются важной технологией для снижения выбросов газов, наносящих вред окружающей среде, таких как углекислый газ (CO2), диоксид серы (SO2) и оксиды азота (NOx). Однако общее воздействие электрических тепловых насосов на окружающую среду в значительной степени зависит от способа производства электроэнергии. Тепловые насосы, работающие на электричестве, полученном, например, от гидроэлектростанций или возобновляемых источников энергии, сокращают выбросы более значительно, чем если электричество вырабатывается на угольных, нефтяных или газовых электростанциях.

Два основных типа тепловых насосов
Почти все тепловые насосы, используемые в настоящее время, основаны либо на сжатии пара, либо на абсорбционном цикле. Эти два принципа будут кратко рассмотрены в следующих двух разделах.

Теоретически перекачка тепла может осуществляться с помощью гораздо большего числа термодинамических циклов и процессов. К ним относятся циклы Стирлинга и Вилье, однофазные циклы (например, с воздухом, CO2 или инертными газами), системы сорбции твердого пара, гибридные системы (в частности, сочетающие цикл сжатия пара и абсорбции), а также электромагнитные и акустические процессы. Некоторые из них выходят на рынок или уже достигли технической зрелости и могут стать значимыми в будущем.

Сжатие паров
Подавляющее большинство тепловых насосов работает по принципу парокомпрессионного цикла. Основными компонентами такой системы теплового насоса являются компрессор, расширительный клапан и два теплообменника, называемые испарителем и конденсатором. Компоненты соединены в замкнутый контур, как показано на рисунке 1. Через все четыре компонента циркулирует летучая жидкость, называемая рабочей жидкостью или хладагентом.

В испарителе температура жидкой рабочей жидкости поддерживается ниже температуры источника тепла, в результате чего тепло переходит от источника тепла к жидкости, и рабочая жидкость испаряется. Пар из испарителя сжимается до более высокого давления и температуры. Затем горячий пар поступает в конденсатор, где конденсируется и отдает полезное тепло. Наконец, рабочая жидкость под высоким давлением расширяется до давления и температуры испарителя в расширительном клапане. Рабочая жидкость возвращается в исходное состояние и снова поступает в испаритель. Компрессор обычно приводится в действие электродвигателем, иногда - двигателем внутреннего сгорания.

Электродвигатель приводит в действие компрессор (см. рис. 1) с очень низкими потерями энергии. Общая энергоэффективность теплового насоса сильно зависит от эффективности выработки электроэнергии. Это обсуждается в разделе "Производительность теплового насоса". ›››
Если компрессор приводится в действие газовым или дизельным двигателем (см. рис. 2), в дополнение к теплу конденсатора используется тепло охлаждающей воды и выхлопных газов.
В промышленных тепловых насосах парокомпрессионного типа в качестве рабочей жидкости в открытом цикле часто используется сама рабочая жидкость. Такие тепловые насосы обычно называют механическими паровыми рекомпрессорами, или MVR; см. раздел "Тепловые насосы в промышленности". ›››

Рисунок 1: Тепловой насос замкнутого цикла с электродвигателем, работающий на сжатии пара

Figure 1: Closed cycle, electric-motor-driven vapour compression heat pump

Рисунок 2: Тепловой насос замкнутого цикла с парокомпрессионным приводом.

Figure 2: Closed cycle, engine-driven compression heat pump

Рисунок 3: Абсорбционный тепловой насос

Figure 3: Absorption heat pump

Поглощение
Абсорбционные тепловые насосы имеют термический привод, что означает, что для приведения в движение цикла используется тепловая, а не механическая энергия. Абсорбционные тепловые насосы для кондиционирования помещений часто работают на газе, а промышленные установки обычно приводятся в действие паром высокого давления или отработанным теплом.

В абсорбционных системах используется способность жидкостей или солей поглощать пары рабочей жидкости. Наиболее распространенными рабочими парами для абсорбционных систем являются:

вода (рабочая жидкость) и бромид лития (абсорбент); и
аммиак (рабочая жидкость) и вода (абсорбент).

В абсорбционных системах сжатие рабочей жидкости достигается термическим путем в растворном контуре, состоящем из абсорбера, растворного насоса, генератора и расширительного клапана, как показано на рисунке 3. Пар низкого давления из испарителя абсорбируется в абсорбенте. При этом выделяется тепло. Раствор перекачивается насосом до высокого давления и поступает в генератор, где рабочая жидкость выкипает при высокой температуре с помощью внешнего источника тепла. Рабочая жидкость (пар) конденсируется в конденсаторе, а абсорбент возвращается в абсорбер через расширительный клапан.

Тепло отбирается от источника тепла в испарителе. Полезное тепло отдается при средней температуре в конденсаторе и абсорбере. В генераторе высокотемпературное тепло подается для запуска процесса. Небольшое количество электроэнергии может потребоваться для работы растворного насоса.

О тепловых трансформаторах, которые с помощью тех же процессов абсорбции могут преобразовывать отработанное тепло, не требуя внешнего источника тепла, читайте в разделе "Тепловые насосы в промышленности".