Принцип работы тепловых насосов

Тепловые насосы предназначены для передачи тепловой энергии от источника к приемнику и, в зависимости от назначения, охлаждают или нагревают физические тела или внутреннее пространство помещений. Конструкция насосов предусматривает использование различных видов энергии (топливо, электричество, избыточное тепло), а благодаря низкому потреблению, применение таких устройств значительно экономит финансовые затраты на нагрев или охлаждение конечного объекта. Тепловые агрегаты широко применяются для передачи тепла от естественных природных источников (почва, вода, воздух), технических объектов (сжигание промышленных и бытовых отходов), промышленных процессов (металлургия, энергетика). Тепловые насосы могут использоваться и для охлаждения: в этом случае понижение температуры источника осуществляется за счет отвода тепла и передачи его приемнику.

КПД теплового насоса

Благодаря конструкции и принципу действия тепловые насосы имеют высокий показатель коэффициента полезного действия (КПД). Для работы устройства необходимо внешняя энергия, затраты которой несоизмеримо малы, по сравнению с производительностью. Потребление электроэнергии тепловым насосом с электрическим приводом для обеспечения теплом объектов различного назначения находится в пределах от 3 до 40 кВт/ч, а их производительность достигает показателя 100 кВт. Для поддержания работы насоса требуется ¼ часть электричества от количества, которое расходуется на другие виды отопления.

Высокая экологичность

По сравнению с классическими системами отопления, которые для нагрева используют жидкое, газообразное и твердое топливо, тепловые насосы не причиняют вреда окружающей среде. При работе теплового агрегата не выделяются вредные вещества и газы в виде СО₂ (двуокись углерода), SO₂ (диоксид серы), NOх (оксиды азота), которые характерны при функционировании газовых, твердо- и жидкотопливных котлов. Экологическая «чистота» тепловых насосов повышается при применении для их работы электроэнергии, полученной от гидроэлектростанций или возобновляемых источников энергии.

Типы тепловых насосов

В настоящее время наибольшее распространение получили два класса насосов:

• термоэлектрические (эффект Пельтье);
• испарительные – механические компрессорные и абсорбционные (диффузионные).

В первом классе агрегатов, использующих эффект Пельтье, применяется подготовленная полупроводниковая пластина с подачей небольшого постоянного напряжения. В результате одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается. Такие насосы отличаются простотой конструкции, отсутствием движущихся элементов, внутренних газовых и жидкостных потоков, бесшумностью работы, компактностью, стойкостью к вибрациям и низким потреблением электрической энергии. Существенным недостатком такого типа насосов является низкая эффективность. Основной сферой применения является радиоэлектронная промышленность и производство небольших холодильников.

Принцип действия компрессионных тепловых насосов основан на поглощении и дальнейшем выделении тепловой энергии при процессах испарения и конденсации жидкостей, а также при изменении давления и дальнейшем изменении температурного значения конденсации и испарения. Агрегат заставляет тепло двигаться в обратном направлении, вопреки физическому закону распространения тепла.

Виды тепловых насосов классифицируются по типу источника тепла:

• воздух – воздух;
• вода – воздух;
• вода – вода;
• почва – вода;
• лед – вода.

Тепловой агрегат может обеспечить жилой дом, промышленный, административный или коммерческий объект обогревом, горячим водоснабжением и кондиционированием.

Небольшой расход энергии, высокая эффективность и экологичность, обеспечивают тепловым насосам широкое применение и позволяют позиционировать процесс как технологию будущего.

Конструкция и работа теплового насоса

Основными элементами компрессионного теплового насоса являются:

• компрессор;
• расширительный клапан;
• испаритель;
• конденсатор.

Все узлы объединены в замкнутый контур, по которому циркулирует теплоноситель.

Компрессор обеспечивает циркуляцию теплоносителя по контуру. При прохождении расширительного клапана теплоноситель увеличивается в объеме, превращается в газ и происходит испарение с поглощением тепла. Проходящая через испаритель (теплообменник) рабочая среда (воздух, вода) охлаждается. При дальнейшем движении газ под высоким давлением, которое обеспечивается компрессором, сжимается, конденсируется в жидкость с выделением тепла в конденсаторе. Проходящая через конденсатор рабочая среда нагревается и в зависимости от назначения насоса, удаляется наружу или подается на объект. Процесс повторяется, обеспечивая постоянное охлаждение или нагрев теплоносителя.

Абсорбционный (диффузионный) тепловой насос

Принцип работы абсорбционного теплового насоса схож с рабочим циклом испарительных установок. Главным отличием является способ создания давления и разрежения в контуре устройств. Если в компрессорных агрегатах разрежение, нужное для испарения теплоносителя, создается компрессором, то в абсорбционных насосах теплоноситель проходит из испарителя в абсорбционный блок, где поглощается абсорбентом. Пары хладагента удаляются из испарителя и в нем создается разрежение, необходимое для испарения новых объемов теплоносителя.

Необходимым условием процесса является совместимость теплоносителя и абсорбента для создания необходимой силы при поглощении. Которая обеспечит эффективное разрежение в испарителе. Распространенной парой хладагент – абсорбент является аммиак (NH₃) и вода, иногда в качестве абсорбента выступает литий бромид.

Конструкция абсорбционного теплового насоса состоит из нескольких основных элементов:

• генератор;
• поглотитель;
• расширительный клапан;
• насос для циркуляции раствора;
• испаритель;
• конденсатор;
• нагреватель.

Основным преимуществом адсорбционных тепловых насосов является возможность работы с любым источником тепла: перегретый или отработанный пар, электричество, пламя бензиновых или газовых горелок, солнечная энергия. Дополнительными достоинствами являются отсутствие движущихся элементов и экологичность установок.