Розділ «ВСТУП»

В наш час все більше актуальним для систем тепловикористання стає гасло: "низькопотенційне нагрівання на базі екологічно чистих альтернативних джерелах енергії - категорія виживання". Для реалізації такого гасла дуже часто необхідне залучення особливих теплотехнічних пристроїв, називаних термотрансформаторами. До них відносяться теплові насоси й кондиціонери. Щодо значимості термотрансформаторов, а також місця, займаному ними, красномовно говорять основні висновки аналітичного огляду "Про раціональне використання тепло нас ос них технологій в економіці України" [1 ]:

• Теплонасосна технологія перетворення низькопотенційної природної енергії або теплоти вторинних низькотемпературних енергоресурсів у високопотенційну теплову енергію, придатну для практичного використання, являє собою не чергову модернізацію традиційних енергоджерел, а впровадження нового, прогресивного, високоефективного й екологічно чистого способу одержання теплоти.

• Теплові насоси на сьогоднішній день є найбільш перспективними серед джерел "нетрадиційної енергетики" для рішення проблем енергозбереження й одержання тепла в інтервалі температур ЗО - 85 °С.

• У світі експлуатуються мільйони теплонасосних установок різного функціонального призначення (тепло- і хладопостачання промислових підприємств, опалення, кондиціювання, гаряче водопостачання об'єктів житлово-комунального комплексу, енергетики), забезпечуючи колосальну економію первинних енергоресурсів і значне зниження емісії й інших шкідливих викидів в атмосферу.

• Впровадження теплонасосних установок в енерговитратні галузі української економіки може дати енергетичний ефект, переважаючий всі інші енергозберігаючі заходи разом узяті, дозволяючи, крім енергозбереження, вирішити економічні, екологічні й соціальні проблеми.

Із цих висновків випливає, що теплонасосна техніка — важлива складова модернізації енергопостачання й енергозбереження при використанні нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії. Впровадження сучасних технологій спалювання палива в комбінації із системами використання поновлюваних енергій дозволяє одержувати біля 40 % економії традиційних енергоресурсів у системах опалення й гарячого водопостачання. Звичайно при теплонасосному опаленні потрібно приблизно в три рази менше електричної енергії, чим при її прямому перетворенні в теплову, наприклад, в електрорадіаторах.

Залежно від конкретних умов капітальні витрати на спорудження одиничних установок з тепловими насосами на сьогоднішній день трохи вище вартості традиційних опалювальних систем. Однак низькі експлуатаційні витрати й постійний ріст цін на паливні енергоресурси гарантують окупність теплонасосних установок менш чим за 10 років. Разом з тим непрофесійний підхід до вибору й впровадженню теплонасосних технологій може привести до умов нераціональної експлуатації Й дискредитації самої ідеї застосування теплонасосної техніки.

Тепловий насос термодинамічно ідентичний холодильній машині. Ці пристрої відрізняються тільки периферійним обладнанням, шо визначає спрямованість процесу. Так, холодильник охолоджує, а тепловий насос нагріває теплоносій. Хронологічно холодильні машини одержали практичний розвиток раніше - вже наприкінці XIX с, а теплові насоси лише в 20-х і 30-х роках минулого століття. Відомо, що в 1930 р. в Англії була створена перша теплонасосна установка для опалення й гарячого водопостачання будинку, що використовує тепло навколишнього повітря. Перша велика теплонасосна установка в Європі була уведена в дію в Цюріху в 1938-1939 pp. У ній використовувалось тепло річкової води, ротаційний компресор і хладоагент, забезпечуючи опалення ратуші водою з температурою 60 °С при потужності 17S кВт. Була система акумулювання тепла з електронагрівником для покриття пікового навантаження. У літні місяці установка працювала на охолодження.

Англійський тепловий насос для великого будинку обсягом 14200 м3 був установлений в Норвиче. Джерело тепла - річкова вода, температура подаваної води 50 °С, хладоагент - двоокис сірки.

Енергетична криза сімдесятих років відновила інтерес до теплових насосів. В 1976 р. було продано 300 тис агрегатів. Інтерес до теплових насосів ніколи не був таким великим, як у цей час. У Європі, Японії й ЄША випускають установки для теплопостачання квартир, суспільних будинків і промислових процесів. Міжнародне енергетичне агентство і Європейське економічне співтовариство висунули великі програми розвитку теплових насосів, які дозволяють використати енергію більш ефективно, відновлювати скидану енергію, чим визначається їхня важлива роль у збереженні енергетичних ресурсів.

Конструкції теплових насосів не залишаються незмінними. З появою нових можливостей одержання альтернативної енергії з навколишнього середовища термотрансформатори перетерплюють серйозні зміни. Досягнення в області геліотехніки якісно змінюють архітектуру й агрегативний склад теплових насосів і кондиціонерів. Термотрансформатори органічно вписуються в системи теплопостачання і є невід'ємною частиною цих систем. У зв'язку із цим вивчення термотрансформаторів необхідно робити з урахуванням взаємодії з іншими компонентами систем енергопостачання.

Перший у світі кондиціонер з'явився в 1815 р., коли француз Жанн Шабаннес одержав британський патент на метод "кондиціювання повітря й регулювання температури в житлах і інших будинках", але практична реалізація його ідеї не була одержана.

Початком дійсної революції в розвитку технології кондиціювання повітря став 1902 рік, коли два американських інженери - Альфред Вольф і Уилліс Хевіленд Керрієр - побудували свої установки, які фактично дали старт широкому поширенню нової техніки спочатку в ЄША, а потім і в інших країнах. Альфред Вольф ще наприкінці XIX століття сконструював примітивні охолодні установки, що використовували крижані блоки, а також розробив способи контролю за температурою, вологістю, чистотою повітря й рівномірністю його розподілу у вентиляційних системах. Вміст вологи в повітрі досить важливо, оскільки сприйняття людиною стану навколишнього повітря залежить, головним чином, від відносної вологості (найбільше комфортно людина почуває себе при відносній вологості 40-60 %).

В 1902 р. Вольф спроектував систему кондиціювання повітря для будинку Нью—Йоркської фондової біржі. В установці використовувався в якості хладогента аміак, а охолоджене повітря подавалося крізь ажурні фати, вмонтовані в стелю приміщень. Потужність охолодження даної машини була небаченої по тим часам - еквівалентної використанню 300 т льоду, що тане. Вольф також спроектував і побудував системи кондиціювання повітря для Карнегі-Холу, Нью-Йоркської публічної бібліотеки, готелю "Плаза", всесвітньо відомого музею образотворчих мистецтв "Метрополітен". Це були одиничні й дуже дорогі замовлення. Вольф побудував три системи й для приватних замовників — найбагатших людей того часу. Зате утвір Уилліса Хевиленда Керрієра, молодого випускника Корнельского університету, виявився набагато більше затребуваним. У той час у власника бруклинскої друкарні "Sackett Wilhelms & Betzig", одного з відомих видавців Роберта Секетта з'явилися серйозні проблеми з якістю печатки - фарба розпливалася на папері. Друкарня втратилася декількох великих замовлень, а власник був на грані руйнування.

Керрієр узявся допомогти видавцеві й незабаром з'ясував, що причина зниження якості печатки полягала в нестабільній вологості в друкарні в жарку пору року. І Керрієр сконструював пристрій, що знижував вологість повітряного потоку при його охолодженні. Через кілька років в 1906 р. Керрієр запатентував свій пристрій за назвою "Апарат для обробки повітря". На той час він уже мав значний досвід конструювання таких установок, головним чином, для текстильних фабрик, де підвищена вологість приводила до появи статичної електрики, у результаті чого погіршувалася якість тканин. А в 1907 р. фирма Buffalo Forge, у якій працював Керрієр, уперше продала "Апарат для обробки повітря" за межі США - для шовкопрядильної фабрики в Японії. Незабаром список підприємств, у яких знайшла застосування нова технологія, поповнився пекарнями, виробництвом бритвених лез, кіноплівки, тютюну, мила й ін. Але одним з гальм на шляху застосування кондиціонерів за межами промислових підприємств був той факт, що в якості хладоагента в них використовувався аміак - газ, досить складний в обігу й украй токсичний. Тому в 1923 р. Керрієр починає використати в компресорах своїх установок хладоагент діелен, менш небезпечний в обігу, що дав можливість зменшити габарити компресійних установок. Приблизно в той же час він сконструював центрифугу, що дозволила більш ефективно робити охолодження більших просторів.

Кондиціонер у той час являв собою великогабаритний пристрій, проектований часто під конкретний будинок і коштував дуже дорого. Для виходу на ринок побутових кондиціонерів треба було значно здешевити моделі, що вироблялися тоді, і зробити їх більше компактними, що виявилося нелегким завданням. Головною заковикою знову стали компресор і хладоагент. Фахівці фірми Carrier Air Conditioning працювали над цим питанням ще з 1920 р., у рамках проекту Weathermaker, але змогли випустити готову модель на ринок лише в 1931 p., після відкриття безпечного для людського організму хладоагента - фреону. І все-таки команда Керрієра спізнилася. їх випередила прославлена вже тоді General Electric (GE), компанія, у джерел якої стояв Томас Едісон.

GE в 20-х p.p. минулого сторіччя успішно працювала над створенням компактного, зібраного в одному блоці побутового холодильника - і вона випустила його на ринок в 1927 р. У ході цих розробок компанія змогла значно вдосконалити використовані у своїй техніці компресори, що дозволило їй випередити Carrier Engineering Company. Вона випустила в 1929 р. першу побутову модель кондиціонера, що використала для роботи діоксид сірки. До речі, по конструкції побутовий кондиціонер був дуже схожий на перший моноблочный холодильник.

Однак тріумфального ходу побутових кондиціонерів по світу в ті роки не вийшло - на початку 30-х pp. у США гримнула Велика Депресія, і більшості американців стало не до комфорту. Лише після завершення війни з фашизмом, в 1945 p., розробки кондиціонерів продовжилися, і почалося виробництво нових моделей, поширення яких тепер уже нічим не стримувалося.

В 1955 р. відомий будівельний магнат того часу Вільям Левитт почав зводити житлові будинки для середнього класу з убудованими кліматичними установками, в 1957 р. з'являються моделі з ротаційним компресором, що підвищувало їхню продуктивність і зробило їх більше компактними.