Текст книги "Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов"

Автор книги: Юрий Почанин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 3 страниц)

Рабочими телами в абсорбционных ТН служат бинарные смеси, состоящие из рабочего агента и абсорбента (поглотителя), имеющих различные температуры насыщения и способность в процессе смешения повышать температуру смеси. Наиболее известны пары веществ вода – аммиак и вода – бромистый литий.

В качестве примера рассмотрим принцип работы водоаммиачного абсорбционного ТН, схема которого представлена на рис. 7. Образующийся при разделении рабочего тела в генераторе (за счет подвода теплоты Q (при температуре t = 300°К=27°C) концентрированный пар аммиака низкого давления р поступает в теплообменник-охладитель, где конденсируется, отдавая в окружающую среду количество теплоты Q₀ при температуре Т₀. Полученный конденсат сжимается насосом до давления р₂ = 1,0 МПа. При этом давлении за счет вторичного подвода теплоты Q" при температуре t = 300°К в теплообменнике-испарителе жидкость испаряется. Образовавшийся насыщенный пар высокого давления поступает в смеситель-абсорбер, где смешивается с раствором низкой концентрации. Выделяющаяся за счет абсорбции теплота вызывает нагрев смеси до температуры Т₂ = 420°К. Образующийся из этой смеси в абсорбере пар с меньшей концентрацией, но с той же температурой Т₂, поступает в теплообменник-конденсатор, где, конденсируясь, отдает теплоту сетевой воде, нагревая ее примерно до 370°К. Нагретую сетевую воду используют для нужд отопления и горячего водоснабжения. Образующийся в теплообменнике-конденсаторе конденсат раствора через дроссель направляется в генератор, где из него снова выпаривается аммиак. Обедненный раствор из генератора подается насосом в смеситель-абсорбер, и цикл повторяется.

Тепловые насосы нового поколения с одноступенчатой регенерацией бинарной смеси имеют коэффициент преобразования до 1,75, а с двухступенчатой – до 2,2.

Перспективная область применения абсорбционных ТН – круглогодовые системы кондиционирования воздуха, использующие ВЭР. В последние годы большое внимание в мире уделяется абсорбционным бромисто-литиевым ТН. Объясняется это их экологической чистотой и высокой эффективностью. Применяются они для получения горячей воды на нужды отопления, горячего водоснабжения, а также для одновременного нагрева и охлаждения технологических сред различных производств.

Рис. 7 Схема абсорбционной установки:

I – генератор; 2 – теплообменник-охладитель; 3 – теплообменник-испаритель; 4 – смеситель-абсорбер; 5 – теплообменник-конденсатор; 6 —дроссель

Рис.8 Тепловой насос абсорбционного типа

Абсорбционные тепловые насосы – довольно громоздкие агрегаты и используются, в основном, в промышленности, рис.8. Это обусловлено наличием большого количества низкотемпературного тепла на производствах, предприятиях, заводах.

АТН, в основном, применяются в промышленности, но сейчас доступны абсорбционные тепловые насосы малой мощности для дома. Единственное ограничение в их использовании – необходимость наличия низкотемпературного тепла в том виде, в каком его может поглотить абсорбент.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов. Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов – это возможность использовать для своей работы не только электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности – перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок – вплоть до выхлопных газов и солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, – это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных.

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, – считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов. Главный недостаток этого типа тепловых насосов – более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток – сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке – в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур – просто их эффективность снижается. Но это не значит, что они могут работать в лютую стужу – на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, – ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции.

Использование абсорбционных тепловых насосов. Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. – вплоть до солнечного нагрева).

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки – они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли. Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей – где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности – вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.

Вихревые тепловые насосы. Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздуха, эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии – нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Главное достоинство этого типа тепловых насосов – простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу. Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела. В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200°С и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов. К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука – такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора – устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал – не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов. Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро– и взрывоопасных производствах – ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов. Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева. Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых – обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов. В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела – перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких – будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Глава 2 Основные элементы теплонасосных установок

Схематично тепло насосную установку можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды, во втором – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту тепло датчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику, в третьем– теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения, рис.9.

Рис.9 Контуры теплонасосной установки

Основными элементами теплового насоса являются: испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует хладагент – вещество, способное кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла на жидкое – в другой.

1.Хладагент. Эти жидкости еще называют: хладонами, фреонами, хладагентами. Они обеспечивают стабильную работу и высокую эффективность теплового насоса, но могут создать экологические проблемы в связи с содержанием вредных веществ при изношенности оборудования или при аварийной ситуации. Принято делить периоды использования некоторых групп рабочих жидкостей на четыре поколения.

Первое поколение характеризуется первоначальными попытками человека создавать новые виды холодильных машин. В процессе поиска оптимума используется все, что попадается под руку, в том числе опасные вещества (токсичные, взрывоопасные, горючие).

Второе поколение рабочих жидкостей представляет собой фреоны (углеводороды с галогена замещенными атомами водорода). Временной отрезок хладагентов второго поколения приходится на 1930-1990-е годы, который иногда называют эрой фреонов. Ключевыми показателями фреонов становятся энергоэффективность и безопасность для человека (в отличие от агентов первого поколения).

Дальнейшее развитие стремительно форсируется открытиями озонового слоя и эффектами его разрушения. Все фреоны, содержащие хлор (основной разрушитель озона) объявляются вне закона, и начинается срочный поиск альтернатив. Типичным представителем синтетических хладагентов третьего поколения является озон безопасный R134a (который, однако, утепляет окружающую среду). Внедрение хладагентов четвертого поколения (с 2010 года) связано с необходимостью не только защитить озоновый слой, но и минимизировать эффекты глобального потепления, за которые ответственны холодильные агенты. Наиболее известным представителем хладагентов четвертого поколения является R1234yf (Opteon™ yf), представляющий собой гидрофторолефин.

Решения Монреальского протокола коренным образом изменили подход к традиционным озон разрушающим хладагентам, и начиная с 90-х годов на одно из первых мест вышел вопрос об опасности изменения климата и сохранения эмиссии парниковых газов, вызванной применением таких хладагентов. По степени озон разрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на три группы:

1.хладагентами, с высокой озон разрушающей активностью, являются хлорфторуглероды (ХФУ) R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 (или по международному обозначению CFC11, CFC12, CFC13 и т. д.) и др.;

2. хладагенты с низкой озон разрушающей активностью– гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (или по международному обозначению HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т. д.) и др., в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с ХФУ, и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабочих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, например R22;

3. хладагенты, не содержащие атомов хлора – это, фторуглероды ФУ (FC), гидрофторуглероды ГФУ (HFC), углеводороды (НС) и др. считаются полностью озон безопасными. Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.

В качестве альтернативы запрещенным к производству хладагентам Монреальским протоколом рассматриваются следующие классы веществ: гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и природные хладагенты – аммиак, диоксид углерода, вода, углеводороды.

Традиционно, наиболее распространенные рабочие жидкости для тепловых насосов являются: R12 (хлорфторуглерод CFC-12) малая и средняя температуры (макс. 80°C); R114 (хлорфторуглерод CFC-114), высокая температура (макс. 120°C); R500 (фреон R500) средняя температура (до 80° C); R502 (фреон R500,) низкая и средняя температуры (макс. 55°C); R22 (хлорфторуглеводород HCFC-22), применяется практически во всех обратимых и низкотемпературных тепловых насосах (макс. 55°C). CFC (хлорфторуглероды). В связи высокой химической активностью и содержанием в составе этих рабочих жидкостей хлора хлорфторуглероды (CFC) вредны для окружающей среды. Данные рабочие жидкости обладают высоким озон разрушающим потенциалом и способствуют глобальному потеплению. CFC относятся к группе запрещенных хладагентов. Так же тепловые насосы должны обладать высокой энергетической эффективностью, что бы тепловые насосные системы оставались интересны с точки зрения энергосберегающей альтернативы традиционным видам получения энергии. В дополнении к поиску экологически чистых рабочих жидкостей важна модернизация и усовершенствование самих тепловых насосов. Поскольку эффективность тепловой насосной системы больше зависит от конструкции самого теплового насоса и системы распределения энергии, чем от рабочей жидкости, используемой в контуре сжатия.

HCFC (гидрохлорфторуглероды) так же содержат в своем составе хлор, но имеют гораздо более низкий потенциал разрушения озонового слоя чем CFC, около 2-5% от показателей R12. Так же у HCFC в пять раз ниже потенциал способствующего глобальному потеплению. Хладагенты группы HCFC являются, так называемыми переходными рабочими жидкостями. Они предназначены только для модернизации теплонасных систем.

Тепловые насосы заполняются различными безопасными хладагентами. В таблице 2 приведены характеристики хладагента R407C.

Таблица 2 Характеристики хладоагента R407C.

Если тепло отводится водой или воздухом, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур:

R717около+50°С, R502 около+50°С, R22 около+53°С, R134a около+72°С, R142 около+100 °С.

2. Высокопроизводительный испаритель. Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора. Для передачи тепла применяется пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали, состоящий из множества наслоенных друг на друга и спаенных металлических пластин. Благодаря большой поверхности теплообменника и незначительной вместимости имеющаяся тепловая энергия может быстро переноситься от источника тепла к хладагенту. Теплообменник работает по принципу противотока с целью оптимального использования энергии. Пластинчатый теплообменник имеет изоляцию, защищающую от накапливающегося конденсата.

Технология, равномерно распределяющая хладагент через специальную систему впрыскивания по всем пластинам, позволяет добиться существенно лучшего теплообмена и тем самым более высокого коэффициента полезного действия.

3.Компрессор. В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления, и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора. Обычно, в тепловых насосах используются объемные компрессоры, которые можно разделить на следующие типы: поршневые, роторные, спиральные и винтовые.

Компрессоры, в которых конечное давление перекачиваемой среды достигается в одном процессе сжатия, называются одноступенчатыми компрессорами. Соответственно компрессоры, в которых конечное давление достигается в нескольких последовательных процессах сжатия, между которыми охлаждается хладагент, называются многоступенчатыми компрессорами. Так же существует ряд других классификаций, однако мы рассмотрим 4 основных типа, перечисленных выше, которые чаще всего используются в тепловых насосах.

Поршневые компрессоры. В поршневых компрессорах процесс сжатия происходит в цилиндре, в котором поршень движется в возвратно-поступательном движении, рис.10.

Рис.10 Поршневой компрессор Bristol

Этот тип компрессоров обычно используется в тепловых насосах и холодильных машинах средней и большой мощности.  Он применим как к тепловым насосам воздух-вода, так и к геотермальным тепловым насосам.

Преимущества – высокая эффективность, долговечность.

Недостатки – высокий уровень шума и вибраций, высокая стоимость

Роторные компрессоры. В этом типе компрессора процесс сжатия осуществляется с помощью вращающихся элементов, через которые газ протекает непрерывно. Самой распространённой конструкций применяемой в тепловых насосах является эксцентриковые роторные компрессоры с вращающимся поршнем, рис.11.

Рис. 11 Строение роторного компрессора

Усовершенствованная модель имеет два поршня на одном валу. Благодаря этому удалось достичь меньших показателей вибрации и более высокого КПД. Именно такая конструкция используется в большинстве тепловых насосов типа воздух-вода мощностью до 15 кВт как у европейских, так и у азиатских производителей.

Преимущества – компактность и лёгкость, низкий уровень шума, невысокая цена.

Недостатки – низкая надёжность, невысокий КПД.

Спиральные компрессоры. В компрессоре спирального типа сжатие рабочей среды происходит при взаимодействии двух спиралей, рис.12.

Рис. 12 Спиральный компрессор scroll Copeland

Наибольшее распространение в тепловых насосах получила технология Scroll в основу, которой положена конструкция из архимедовых спиралей и вала с эксцентриком, принцип сжатия в котором представлен на рис. 13.

Рис. 13 Принцип сжатия в спиральном компрессоре типа scroll

Как правило, такими компрессорами оснащают тепловые насосы типа грунт-вода или воздушные тепловые насосы средней мощности.

Преимущества – низкий уровень шума, высокая эффективность, долговечность.

Недостатки – высокая цена

Винтовые компрессоры. Принцип работы компрессора данного типа на вращении двух роторов с винтами, рис14. Вращение происходит в различные стороны, за счет чего и происходит сжатие рабочей среды.

Рис.14 Строение винтового компрессора

Такие компрессоры чаще всего используются в теплонасосных установках большой мощности. Часто они применяются в многоступенчатых холодильных агрегатах.

Преимущества – высокая эффективность, надёжность

Недостатки – высокий уровень шумов, применимы только в установках большой мощности.

Область использования основных типов компрессоров для тепловых насосов представлена на рис. 15.

Рис. 15 Область использования основных типов компрессоров для тепловых насосов

Все вышеперечисленные компрессоры уже много лет успешно применяются в тепловых насосах различной мощности и назначения.

4.Предохранительный автомат мотора компрессора. Для внутреннего предохранения компрессор имеет предохранительный автомат мотора, который в качестве термо-предохранителя, защищает катушки мотора от перегрева. Он в случае нарушения самостоятельно отключает компрессор и после требующегося на охлаждение времени, примерно 15-30 мин, включает его.

5. Конденсатор. Конденсаторы в тепловом насосе служат для отвода теплоты при температуре, превышающей температуру окружающей среды или охлаждающего вещества. При этом хладагент переходит из парообразного состояния в жидкое, т.е. конденсируется. В качестве охлаждающих веществ для конденсаторов можно применять как жидкости (особенно воду), так и газы (особенно воздух). Тип охлаждающего вещества, воспринимающего теплоту конденсации, зависит в теплонасосном цикле от способа применения. Использование воздуха или других газов в качестве охлаждающих веществ для конденсаторов имеет смысл лишь тогда, когда газ, используемый для охлаждения, представляет собой вещество, к которому должна подводиться полезная теплота. При использовании жидкостей в качестве вещества, охлаждающего конденсатор, их функцией часто является лишь транспортировка полезной теплоты от конденсатора к месту ее потребления (промежуточные теплоносители).