Эколого-безопасный тепловой насос низкого давления

Постановка проблемы. Толчком к интенсивным разработкам и внедрению в эксплуатацию геотермальных тепловых насосов (которые являются экологически чистыми) энергосберегающих систем отопления и кондиционирования стал энергетический кризис 1973 и 1978 гг. в развитых странах. Сегодня геотермальные тепловые насосы (ТН) нашли широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Союза.

В США ежегодно выпускается около 1 млн тепловых насосов. При строительстве новых домов используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

В Японии ежегодно производится около 3 млн тепловых насосов.

В Швеции 70% тепла обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы общей мощностью 320 мВт, которые используют тепло Балтийского моря, со среднегодовой температурой около 8 °C.

В 2001 г. в Швейцарии в каждой третьей новостройке устанавливались тепловые насосы (сведений за другие годы нет). На каждые два квадратных километра территории Швейцарии (включая леса, горы и водоемы) установлен один тепловой насос.

В Германии предусмотрена дотация государства на установку теплового насоса в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.

В мире, по прогнозу Мирового Энергетического Комитета, до 2020 года доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении будет составлять 75%. Общий объем продаж тепловых насосов, выпускаемых за рубежом, больше мирового объема продаж вооружений в 3 раза [1]. Так «тепловой насос шагает по планете».

К сожалению, если в развитых и развивающихся странах счёт работающих теплонасосных установок ведётся на сотни тысяч и миллионы, то Украина только приступает к освоению этой техники.

Анализ последних публикаций. Известный тепловой насос для использования тепла морской, грунтовой и сбросной воды [Патент 458148 Швеция, МПК F24J3/00, опубл. 22.02.1989], в котором ряд вертикально установленных тонких плат из алюминия, меди, нержавеющей стали и т.д. имеют внутренние каналы, по которым прокачивается теплоноситель. По обе стороны верхнего конца плат расположены перфорированные трубки, в которые подается вода из основного источника. Разбрызганная из трубок вода стекает по платам, отдавая им тепло. Эта вода собирается, отводится и сбрасывается на расстоянии от места забора. Недостаток названной установки – громоздкость и высокая удельная металлоемкость конструкции.

Известно устройство для получения тепла, состоящее из двух теплонасосных установок с различными коэффициентами трансформации и разной мощности, с получением тепла из окружающей среды, и приводного ДВС [заявка 3115891 ФРГ, МПК F24J3/04, опубл. 11.11.1982]. Недостатком устройства является его сложность и загрязнение окружающей среды выхлопными газами ДВС.

Известна также теплонасосная установка [А.с. 770318 SU, МПК F25B29/00. – Опубл. 30.03.1985. – Бюл. № 12], содержащая компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль, испаритель, дополнительную автономную холодильную машину с линиями высокого давления. Недостатком названной установки является громоздкость и сложность конструкции, обусловленные наличием высокого давления и, как следствие, высокая ее стоимость.

Обобщенная схема известных тепловых насосов представлена на рисунке 1. Низкопотенциальное тепло с помощью хладагента (низкокипящего вещества – фреона) и компрессора 4 перекачивается из внешней среды (зона В) в отапливаемое помещение (зона А). При сжатии хладагента происходит его конденсация с выделением тепла в конденсаторе 1, а при прохождении через дроссель 2 – его резкое испарение с поглощением тепла испарителем 3.

1 – конденсатор (отдает тепло); 2 – дроссель; 3 – испаритель (забирает тепло);

4 – компрессор

Рисунок 1 – Схема компрессионного теплового насоса

Общим недостатком известных тепловых насосов является использование хладагентов из группы, включающей гало-гено-углеродные соединения с содержанием хлора и фтора – фреонов, запрещенных в соответствии с Киотским протоколом. Кроме того, использование компрессора для принудительного сжатия хладагента вызывает повышение требований ко всем элементам циркуляционного контура и, следовательно, – к увеличению материалоемкости и стоимости теплового насоса.

Формулировка целей статьи. Поставлена задача создания экологически чистого и озонобезопасного способа работы теплового насоса, заменив операцию сжатия хладагента компрессором на его расширение вакуумным насосом, который позволит использовать в качестве рабочего тела экологически безопасные хладагенты с положительной температурой кипения при атмосферном давлении (Т кип > 273 K), и устройства для его реализации.

Основная часть. Поставленная задача решается тем, что способ работы теплового насоса, основанный на циркуляции рабочего тела по замкнутому контуру, состоящему из последовательно соединенных испарителя, конденсатора и дросселя, в качестве рабочего тела использует высококи-пящее вещество с положительной температурой кипения (Т > 273 К) при нормальном атмосферном давлении, которое откачива- ют из испарителя и подают в конденсатор [2].

Особенность предлагаемого способа в том, что для изменения агрегатного состояния рабочего тела вместо его сжатия компрессором в конденсаторе осуществляют расширение в испарителе за счет его откачки.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является уменьшение материалоемкости и упрощение эксплуатации теплового насоса для его осуществления из-за использования системы низкого давления.

Использование в качестве рабочего тела этанола (С 2 Н 5 ОН) или его водного раствора делает тепловой насос экологически чистым и озонобезопасным.

Техническая сущность запатентованного способа поясняется графическим материалом: на рисунке 2 а представлена схема работы теплового насоса, а на рисунке 2 б – его термодинамическая схема. Способ работы теплового насоса, основанный на циркуляции рабочего тела по замкнутому контуру (рисунок 2 а ), состоящему из последовательно соединенных испарителя 1, конденсатора 2, дросселя 3 и вакуумного насоса 4, реализуется следующим образом. С испарителя 1 вакуумный насос 4 откачивает высококипящее вещество – этанол (С 2 Н 5 ОН), который закипает и при испарении меняет свое агрегатное состояние из жидкости в газ [2].

а

б

1 – испаритель; 2 – конденсатор; 3 – дроссель; 4 – вакуумный насос; 5 – тепловой насос Рисунок 2 – Схема работы ТН принципиальная (а) и термодинамическая (б)

Тепловой насос 5 можно рассматривать как обратную тепловую машину [3]. Тепловая машина получает теплоту от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу, а тепловой насос требует затраты работы W для получения теплоты Q L при низкой температуре TL и отдачи ее при более высокой температуре T H . Отношение Q H / W называется коэффициентом преобразования (КОП) теплового насоса. Его используют для оценки эффективности работы тепловых насосов. Обычно коэффициент преобразования теплового насоса достигает в среднем значения 3 или чуть больше.

Таким образом, тепловой насос 5 осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого потенциала T L (температурного уровня) на более высокий потенциал T H , необходимый потребителю.

Теплота QL на испарение этанола отбирается от источника низкопотенциального тепла, например из наружного воздуха, или с земли. Откачанный из испарителя 1 газообразный этанол поступает в конденсатор 2 с давлением близким к атмосфер- ному, увеличение давления приводит к конденсации этанола, который превращается в жидкость, отдавая при охлаждении теплоту QН приемнику высокопотенциального тепла. Дроссель 3 обеспечивает величину давления в конденсаторе 2, необходимую для конденсации этанола. Вакуумный насос 4 снижает давление пара хладагента в испарителе до тех значений, при которых точка кипения хладагента становится ниже температуры в испарителе 1.

Параметры этанола [4]: критическая температура Ткр = 516,1K (243,1 °C), критическое давление Ркр = 63,9 Па, температура кипения при атмосферном давлении (Р = 0,1 МПа) Ткип = 351,3K (78,3 °C), а удельная теплота испарения r = 840 кДж/кг, теплоемкость газообразного этанола в диапазоне температур от 0 до 100 °C составляет Ср = 1,34–1,69 кДж / кг град. Для работы теплового насоса принимаем диапазон рабочих температур от небольшой минусовой (-2,3 °C) (в зависимости от температуры источника низкопотенциальной теплоты) до 48–64 °C (в зависимости от потребностей потребителя). При снижении давления С 2 Н 5 ОН в испарителе 1 до величины

Р = 1,33 кПа температура кипения этанола снижается до Ткип = 270,4K (-2,3 °C). При давлении пара С 2 Н 5 ОН в конденсаторе 1 Р = 26,7 кПа этанол конденсирует при температуре Ткип = 224,6K (48,4 °C). При давлении пара Р = 53,4 кПа этанол конденсирует при Ткип = 336,5 K (63,5 °C). Рабочий режим теплового насоса подбирают индивидуально в зависимости от температуры T L низкопотенциального источника и потребностей в температуре Т H потребителя высокопотенциального тепла. Слишком высокие температуры конденсации выбирать не следует, так как, по мере приближения температуры к критической (для этанола Ткр = 516,1K), скрытая теплота парообразования быстро уменьшается, теплоту отдает только перегретый пар, но при существенном уменьшении КОП [4].

Для реализации способа в ТГАТУ запатентован эколого-безопасный тепловой насос низкого давления [5], содержащий испаритель, вакуумный насос, конденсатор и дроссель, объединенные в замкнутый циркуляционный контур ТН с хладагентом в виде высококипящего вещества с положительной температурой кипения при нормальном атмосферном давлении, согласно полезной модели, содержит внешний циркуляционный контур из теплообменника и циркуляционного насоса для прокачки теплоносителя от внешнего источника низкопотенциальной теплоты, внешний циркуляционный контур функционально связан с контуром теплового насоса.

Особенность запатентованного экологобезопасного теплового насоса низкого давления [4] в том, что введение внешнего циркуляционного контура из теплообменника и циркуляционного насоса для прокачки теплоносителя от внешнего источника низкопотенциальной теплоты увеличивает теплопроизводительность ТН.

На рисунке 3 представлена принципиальная схема эколого-безопасного теплового насоса низкого давления, где T L – низкая температура источника низкопотенциальной теплоты Q L ; Т Н – высокая температура теплоты Q H у потребителя.

Рисунок 3 – Схема эколого-безопасного теплового насоса низкого давления

Запатентованный тепловой насос [5] содержит испаритель 1, вакуумный насос 2, конденсатор 3, дроссель 4, объединенные в замкнутый циркуляционный контур теплового насоса, и внешний циркуляционный контур из теплообменника 5 и циркуляционного насоса 6 для прокачки теплоносителя от внешнего источника низкопотенциальной теплоты, внешний циркуляционный контур функционально связан с контуром теплового насоса. В качестве хладагента используют высококипящие вещества – этанол (С2Н5ОН) или его водный раствор.

На рисунке 4 представлены варианты конструктивного исполнения теплообменников внешнего циркуляционного контура. Теплообменник 5 внешнего циркуляционного контура изготовлен в виде двух, коаксиально расположенных, труб 7, 8 разного диаметра, заглубленных через скважину в землю (рисунок 4 а). Труба 7 большего диаметра с теплопроводного материала, с

а

глухим дном 9, труба 8 меньшего диаметра с теплоизолирующего материала, сверху трубы 7,8 закрыты общей крышкой 10 и оборудованы выходными патрубками 11, 12 в верхней части.

В другой конкретной форме выполнения (рисунок 4 б) трубы 7, 8 разного диаметра снизу закрыты общим глухим дном 13, а труба 8 меньшего диаметра в нижней части оборудована перфорированными отверстиями 14.

а – внутренняя труба внизу открыта; б – обе трубы с общим глухим дном Рисунок 4 – Варианты конструктивного выполнения теплообменников внешнего циркуляционного контура

Тепловой насос требует затрат механической работы W для получения теплоты Q L при низкой температуре T L и отдачи теплоты Q H при более высокой температуре Т Н [4]. Отношение Q Н / W называется коэффициентом преобразования (КОП) теплового насоса, который определяют по

следующему выражению:

КОП

Th - T_L

H    L

+1 =

T

Н

T

H

- T

L

где T L – низкая температура;

T H – высокая температура.

Из приведенного выражения видно, что КОП существенно зависит от разности температур (T H – T L ) – чем она меньше, тем КОП больше. Это значит, что в случае

применения теплового насоса – выгодней подключать их к низкотемпературным системам отопления. Имеется в виду обогрев от теплых водяных полов или теплых стен (укладка труб в стенах) или теплым воздухом, так как в этих случаях мы имеем теплоноситель около 30–40 °С.

КОП идеального цикла Карно может быть достаточно высоким, но практически КОП примерно равен 3.

Запатентованый экологобезопасный тепловой насос низкого давления работает следующим образом. Вакуумный насос 2 откачивает пар этанола из испарителя 1, снижая давление в нем до тех значений, при которых точка кипения хладагента становится ниже температуры в испарителе 1.

При этом этанол закипает, интенсивно испаряется и отбирает теплоту испарения от стенок испарителя 1. Откачанный из испарителя 1 газообразный этанол поступает в конденсатор 3 с давлением, близким к атмосферному, увеличение давления приводит к конденсации С 2 Н 5 ОН, который превращается в жидкость, отдавая при охлаждении теплоту конденсации Q Н , которая отводится в отапливаемое пространство. Дроссель 4 обеспечивает величину давления в конденсаторе 3, необходимую для конденсации этанола. Из конденсатора 3 жидкий конденсат С 2 Н 5 ОН проходит через дроссель 4 и возвращается в испаритель 1, где его температура после испарения снижается.

Температура земли на глубине до 100 метров является постоянной в течение года, независимо от времени года и составляет в среднем +8 °C. Для преобразования этого температурного потенциала для отопления и горячего водоснабжения и используется тепловой насос. Внешний циркуляционный контур, состоящий из теплообменника 5 и циркуляционного насоса 6, обеспечивает доставку низкопотенциальной теплоты QL от земли через кольцевой канал между трубами 7, 8, внутреннюю трубу 7 и патрубок 12 к стенкам испарителя 1. Внешний теплообменник размещается в скважине на глубине 30–100 метров и обеспечивает подачу к стенкам испарителя 1 теплоносителя с температурой земли (8 °C). Отобранная незамерзающей жидкостью теплота через кольцевой канал между трубами 7, 8 внешнего теплообменника 5 передается через испаритель 1 хладагенту контура теплового насоса, в качестве которого используется высококипящее вещество – этанол (С2Н5ОН). С испарителя 1 вакуумный насос 2 снова откачивает этанол, который закипает и при испарении меняет свое агрегатное состояние из жидкости в газообразное. Теплота QL на испарение этанола отбирается через теплообменник 5 от источника низкопотенциальной теплоты – земли. Для расчетов принимается средняя тепловая продуктивность вертикального теплообменника 40–60 Вт/м.

В качестве теплоносителя во внешнем циркуляционном контуре использована жидкость с низкой температурой замерзания – гликоль. Гликоли – двухатомные спирты, содержащие две гидроксильные группы с общей формулой СnН2n (ОН). Низшие гликоли – прозрачные, бесцветные, вязкие жидкости, растворимые в воде: этиленгликоль (ОН-СН 2 -СН 2 -ОН) – температура замерзания -13 °C; диэтиленгликоль –10,4 °C; пропиленгликоль -59 °C [6].

Выводы

Использование в качестве рабочего тела высококипящих веществ с положительной температурой кипения (Т > 273 К) при нормальном атмосферном давлении делает тепловой насос экологически чистым и озонобезопасным, приводит к созданию системы низкого давления и, следовательно, к уменьшению ее материалоемкости и упрощению эксплуатации.