Тепловые насосы и тепловые трансформаторы

Дата добавления: 2014-05-20 | Просмотров: 1922

Во многих случаях более эффективное и полное использование ВЭР возможно с помощью тепловых энергопреобразующих установок, повышающих потенциал теплоносителя. Такими установками являют¬ся тепловые насосы и тепловые трансформаторы.

Тепловыми насосами называются установки для повышения температуры теплоносителя за счет охлаждения низкотемпературных энергоресурсов или источников теплоты. При этом осуществляется перенос теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой в обратных круговых процессах.

По принципу переноса теплоты тепловые насосы аналогичны холодильным машинам, но отличаются от них целевым назначением, а циклы этих установок отличаются положением интервала температур. В частности, холодильные машины предназначены для искусственного охлаждения, тепловые насосы – для нагрева. Температура окружающей среды в холодильном цикле является верхним пределом, а в тепловом насосе – нижним.

Тепловыми трансформаторами называются аппараты и установки, предназначенные для повышения давления пара до пределов, требуемых потребителем.

Тепловые трансформаторы работают на том же термодинамическом принципе, что и тепловые насосы, и повышение давления в тепловых трансформаторах сопровождается повышением температуры. Таким образом, тепловые насосы и трансформаторы являются разновидностями установок, предназначенных для повышения потенциала теплоносите¬ля, что в соответствии со вторым началом термодинамики требует затраты определенного количества энергии. Однако эта дополнительная затрата энергии при использовании ВЭР дает возможность уменьшать общий расход первичных энергоресурсов на энергоснабжение потребителей.

Рассмотрим некоторые особенности тепловых насосов и тепловых трансформаторов и области их применения.

Тепловые насосы бывают паровые и газовые. Преимущественно применяются паровые тепловые насосы, так как они более компактны и эффективны, чем газовые.

Паровые тепловые насосы в свою очередь подразделяются на компрессионные и абсорбционные.

Рис. IV 14. Схема установки с компрессионным тепловым насосом.

Компрессионные тепловые насосы имеют более высокие значения тепловых коэффициентов, чем абсорбционные, но для работы компрес¬сионных тепловых насосов требуется электроэнергия, а абсорбционные используют для своей работы теплоту пара низкого давления. Если сравнить эти установки по величине приведенного теплового коэффициента

где Q₁ – количество теплоты, отдаваемое тепловым насосом; Q_топ – количество теплоты топлива, израсходованное на работу теплового на¬коса, то во многих случаях более эффективным окажется установка с абсорбционным тепловым насосом.

Перспективным и рациональным является комплексное использование тепловых насосов, как для теплоснабжения, так и для процессов охлаждения. Такая установка с компрессионным тепловым насосом, совмещающая задачу зимнего отопления с летним кондиционированием воздуха, изображена на рис. IX.14.

В летний период вентили 2, 4, 9 и 15 открыты, а вентили 3, 5,10 и 16 закрыты. Вода из внешнего источника подается насосом 1 в конденсатор 14 и затем сбрасывается наружу. Насос 8 прокачивает через кондиционер 6 воду, используемую в качестве хладоносителя. В кондиционере происходит охлаждение воздуха и нагрев воды. Подогретая вода поступает в испаритель 11, где охлаждается и снова направляется в кондиционер. В зимний период вентили 2, 4, 9 и 15 закрыты, а вентили 3, 5, 10 и 16 открыты. Насос 1 прокачивает внешнюю воду, являющуюся. В это время источником теплоты низкого потенциала, через испаритель 11, после чего она сбрасывается наружу. Насос 8 прокачивает воду через кондиционер 6 и конденсатор 14. В конденсаторе вода нагревается за счет теплоты рабочего агента теплонасосной установки и в кондиционере подогревает воздух помещения.

Рис. IX.15. Схема установки с абсороционным тепловым насосом.

В схеме установки с абсорбционным тепловым насосом (рис. IX.15) в отличие от компрессионного в качестве рабочего тела вместо однородной жидкости применяется двойная смесь, температура кипения которой при заданном давлении зависит от концентрации кипящего раствора. В испарителе 1 происходит выпаривание из раствора легкокипящего компонента (аммиака). В абсорбере пары аммиака абсорбируются слабым раствором, поступившим из генератора 4. Выделяющаяся при этом теплота отводится охлаждающей водой. Насыщенный раствор насосом 3 подается в генератор, в котором при более высоком давлении за счет подводимой теплоты Q_г происходит выпаривание аммиака.

Пары аммиака поступают в конденсатор 6, где конденсируются и через редукционный вентиль снова подаются в испаритель. Генератор обогревается острым паром или паром из отборов турбин. Испаритель обогревается низкотемпературными ВЭР. Из конденсатора отводится теплота к потребителям

где Q_н тепловой эквивалент затраченной на насос работы.

Величина Q_н незначительна по сравнению с Q_п и Q_г

Тепловой коэффициент абсорбционного теплового насоса согласно уравнению (IX.22) будет равен

В последнее время нашли применение термоэлектрические и термомагнитные тепловые насосы. Работа термоэлектрических тепловых насосов основана на использовании эффекта Пельтье. Сущность этого эффекта заключается в выделении и поглощении теплоты на спаях двух разнородных металлов или полупроводников при прохождении через них тока.

В основе работы термомагнитных тепловых насосов лежит эффект Эттингсхаузена. Сущность этого эффекта состоит в том, что при пропускании постоянного тока через полупроводник, находящийся в магнитном поле, в материале полупроводника возникает градиент температур, перпендикулярный направлению поля и электрического тока.

Тепловые трансформаторы. По принципу работы тепловые трансформаторы бывают механические, пароструйные и термохимические.

В качестве механических тепловых трансформаторов применяются турбокомпрессоры, а также ротационные и поршневые компрессоры.

Турбокомпрессоры применяются в случаях, когда требуется большая производительность и относительно малая степень сжатия пара. КПД этих трансформаторов составляет примерно 0,5...0,6. Ротационные и поршневые компрессоры применяются при небольших производительностях и большой степени сжатия.

Механические тепловые трансформаторы обычно применяются | электроприводом и требуют значительного расхода электроэнергии особенно при больших степенях сжатия. Они имеют также высокую первоначальную стоимость. Преимуществами этих тепловых трансформаторов является то, что они питаются паром одного давления, что обеспечивает их широкое применение.

Пароструйные тепловые трансформаторы основаны на использовании кинетической энергии потока пара. В этих установках пар повышенного давления поступает в сопло, расширяется, выходит из него с большой скоростью и, двигаясь вдоль оси пароструйного аппарата, создает эжектирующий эффект. Благодаря эжекции в аппарат засасывается пар низкого давления, сжимается эжектором и к потребителю уже поступает пар среднего давления. Таким образом, пароструйный аппарат питается паром двух разных давлений и может применяться в тех случаях, когда имеется пар повышенного давления для сжатия пара низкого давления.

Рис. IX.16. Схемы применения механических и струйных трансформаторов теплоты.

Кпд пароструйных тепловых трансформаторов не превышает 0,25, а при изменении режима работы он еще больше уменьшается. Для устранения этого недостатка необходимо устанавливать несколько параллельно вкаюченных трансформаторов и при уменьшении нагрузки часть из них отключать.

Преимуществами пароструйных тепловых трансформаторов являются простота конструкции, невысокая первоначальная стоимость и возможность изготовления в любой мастерской.

Некоторые примеры применения механических и пароструйных тепловых трансформаторов приведены на рис. IX. 16.

В схеме а механический тепловой трансформатор 2 повышает давление пара котлов-утилизаторов до давления, требуемого тепловыми потребителями. В схемах б и в тепловые трансформаторы применены вместо РОУ. Это дает возможность увеличить паровую нагрузку теплофикационных турбин 1 за счет пара, отбираемого в тепловые трансформаторы. Следовательно, увеличивается количество электроэнергии, выработанной на тепловом потреблении.

В схеме г механический тепловой трансформатор 2 сжимает вторичный пар и направляет его в выпарной аппарат 5 в качестве греющего. Острый пар используется в основном в период пуска установки. В установке циркуляционного обогрева (схема д) греющий пар частично конденсируется в тепловых приборах теплового потребителя 8. Сепаратор 9 несконденсировавшийся пар отводит в пароструйный тепловой трансформатор 4, в котором рабочим паром доводится до давления греющего пара. Установка дает возможность экономить 10...15 % греющего пара.

В опреснительной установке (схема е) производится продувка соленой воды с целью сохранения длительное время допустимой концентрации раствора солей, поэтому в испаритель подается морской воды на 20 % больше, чем получается пресной. Расход электроэнергии в этих установках для получения 1 кг пресной воды составляет примерно 185 кДж.