Розділ «1.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ЩОДО ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ»

1.1.1. Визначення теплового насоса

Тепловий насос (ТН) є одним з термотрансформаторних пристроїв, що забезпечують подачу тепла від одних тіл до інших, які мають різні температури. Термотрансформатори можуть бути підвищувальними, якщо призначені для передачі теплоти до тіл з низькою температурою, і понижувальними, якщо з їхньою допомогою передається теплота тілам з високою температурою.

Довгий час тепловий насос залишався термодинамічною загадкою, хоча принцип його роботи випливає із праць Карно, зокрема, опису циклу Карно, опублікованого в його дисертації ще в 1824 р. Практичну теплонасосну систему, названу помножувачем тепла, в 1852 р. запропонував лорд Кельвін, який показав, як холодильну машину можна ефективно використати для цілей опалення.

Тепловий насос здійснює передачу внутрішньої енергії від енергоносія з низькою температурою до енергоносія з більш високою температурою. Оскільки, у відповідності з другим законом термодинаміки, теплова енергія без будь-якого зовнішнього впливу може переходити тільки з високого температурного рівня на низький, для здійснення теплонасосного циклу необхідно використовувати приводну енергію. Тому процес передачі енергії у напрямку, протилежному природному температурному напору, здійснюється в круговому циклі.

Основне призначення цих установок - використання теплоти низькопотенційного джерела, наприклад навколишнього середовища. Для здійснення теплонасосного процесу необхідна витрата зовнішньої енергії будь-якого виду: механічної, хімічної, кінетичної, електричної та ін.

Основне застосування в даний час знаходять три типи теплонасосних установок:

• компресійні для теплопостачання окремих будинків, а також для теплопостачання окремих промислових цехів або установок;

• абсорбційні для теплопостачання будинків і промислових цехів;

• термоелектричні для теплопостачання окремих приміщень або невеликих будинків.

Енергоносії, що поставляють теплову енергію з низькою температурою для здійснення теплонасосного циклу, називаються джерелами теплоти. Вони віддають теплову енергію шляхом теплопередачі, конвекції і (або) випромінювання. Енергоносії, що сприймають в теплонасосному циклі теплову енергію підвищеного потенціалу, називаються приймачами тепла. Вони сприймають теплову енергію шляхом теплопередачі, конвекції і (або) випромінювання.

В цілому можна запропонувати таке визначення: тепловий насос -пристрій, що сприймає тепловий потік при низькій температурі (на холодній стороні), а також необхідну для приводу енергію й використуючий обидва потоки енергії при підвищеній (у порівнянні з холодною стороною) температурою у вигляді теплового потоку.

Це визначення дійсно для компресійних теплових насосів, а також для абсорбційних і термоелектричних агрегатів, що використовують ефект Пельтьє.

Теплопродуктивність (теплова потужність) парокомпресійного ТН складається з двох складаючих: теплоти, одержуваної випарувачем від джерела теплоти (так звана холодопродуктивність і приводної потужності Р, за допомогою якої вхідна теплова енергія піднімається на більш високий температурний рівень.

В абсорбційному ТН механічний компресор замінений термохімічним - у вигляді додаткового циркуляційного контуру розчину з генератором (кип'ятильником) і абсорбером. Замість електричної приводної енергії, що підводиться до компресіонного теплового насоса з електроприводом, до генератора підводиться теплова енергія. Однак для обох процесів використається за допомогою випарника джерело енергії у вигляді відпрацьованої теплоти або енергії навколишнього середовища.

Звичайно в процесі перетворення енергія навколишнього середовища є кінцевим етапом процесу. Енергія, виділювана при спалюванні твердого палива або в ядерних реакторах, проходить велику кількість перетворень, поки приймає необхідну для споживачів форму, повністю використається й, нарешті, практично завжди переходить у навколишнє середовище. Теплові насоси вимагають зовсім іншого теоретичного підходу. Тут на початку процесу як джерело тепла наряду із приводною енергією використається також і енергія навколишнього середовища.

1.1.2. Енергетична оцінка теплового насоса

Енергетичну ефективність компресійних ТН оцінюють за допомогою коефіцієнта перетворення є (КОП). що представляє собою відношення теплопродуктивності 0Г до споживаної потужності Р

Ефективність абсорбційних ТН також оцінюється за допомогою коефіцієнта перетворення, але в цьому випадку він виражається відношенням теплопродуктивності на термічну приводну потужність (2г" причому теплопродуктивність складається з теплової потужності конденсатора ()к і теплового потоку ()а, який виділяється при абсорбції

Компресійні й абсорбційні ТН працюють на різних джерелах енергії, тому енергетичне порівняння коефіцієнта перетворення з коефіцієнтом тепловикористання можливо тільки з урахуванням коефіцієнта корисної дії в устроях для одержання енергії. Базою для порівняння служить первинна енергія, необхідна для здійснення розглянутих процесів. До первинних енергоносіїв відносять енергоносії, одержувані в установках, що працюють на органічному або ядерному паливі, і не піддані ніяким енергетичним перетворенням. Під первинною енергією розуміють енергію первинного енергоносія.