История тепловых насосов

Тепловые насосы в индивидуальных жилых домах должны выполнять функции, зависящие от местных климатических условий. В силу высокой стоимости оборудования чем больше функций выполняется, тем лучше.

Первичная энергия затрачивается на отопление, воздушное кондиционирование (там, где оно необходимо) и горячее водоснабжение. Помимо этого, энергия затрачивается на домашние холодильники для хранения продуктов питания, а также для приготовления пищи, освещение и др.

Агрегированный тепловой насос должен обеспечивать отопление и кондиционирование воздуха совместно с частичным применением дополнительных нагревателей, когда этого требует погода и допускают экономические условия. Желательно также использовать тепловой насос, хотя бы частично, для домашнего горячего водоснабжения.

Тепловой насос может выполнять также и функции холодильника, поскольку, как указывалось во введении, они в принципе идентичны. Но домашний холодильник мощностью около 0,5 кВт, включая и глубокое охлаждение, не дает возможности использовать сбрасываемое им в конденсаторе тепло в существенных масштабах. Однако в общественных зданиях и в промышленности, как будет показано далее, комбинированное охлаждение и нагревание дает заметный экономический эффект.

В ближайшие годы на рынке по­явятся совершенно новые тепловые насосы для домашнего приме­нения, использующие газ вместо электроэнергии. Расширится при­менение тепловых насосов в промышленности с вытеснением обыч­ных сушилок. Тепловые насосы позволяют нам использовать энер­гию более эффективно и восстанавливать сбросную энергию, чем определяется их важная роль в сохранении наших энергетических ресурсов.

Проблемы возникли, когда эти установки начали применять в холодных северных штатах и вы­явился их недостаточный ресурс. За агрегированными тепловыми насосами установилась репутация ненадежных устройств. Это привело к прекращению роста выпус­ка в начале 60-х годов вплоть до 1971 г., когда снова начался их рост (рис. 1.4). За период застоя производства были разработаны новые, более надежные агрегаты и, что более важно, изготовители помогли инженерам, устанавливающим и наблюдающим за агре­гатами, лучше ознакомиться с ними. Было проведено несколько исследований надежности, а в 1974 г. Институт охлаж­дения и кондиционирования воздуха выдвинул программу аттеста­ции и классификации тепловых насосов по их назначению. Эта работа продолжается в настоящее время.

В 60-е годы стоимость электроэнергии в США сильно снизи­лась, что дало преимущества прямому электроотоплению в ущерб тепловым насосам, спрос на которые упал и в связи с ненадеж­ностью.

Но в 1973 г. энергетический кризис положил начало новому периоду быстрого роста интереса к тепловым насосам. В 1976 г. было продано 300 тыс агрегатов, а их полное число в США пре­вышает 2 млн.

Источник тепла — речная вода. Температура подаваемой воды 50° С. Хладоагентом была двуокись серы, коэффициент преобразо­вания (КОП) (см. определение в гл. 2) около 3. Использовали бывший в употреблении компрессор выпуска 1926 г. с ременной передачей от электромотора постоянного тока. В зависимости от наружных и внутренних условий потреблялась мощность 40— 80 кВт.

В исторических обзорах чаще упоминается другая теплонасос-ная установка в Англии на набережной Темзы в Лондоне, в кон­цертном зале «Ройял фестивал холл» [8]. Эта установка также была экспериментальной, предназначенной для отопления зимой и охлаждения летом, ее тепловая мощность 2,7 МВт. Фактическая пиковая тепловая нагрузка для здания была преувеличена. Источ­ник тепла — вода в Темзе, температура подаваемой воды 71° С. В режиме охлаждения подавалась вода с температурой 4° С. При­водной двигатель «Rolls-Royce Мегііп» переведенный на городской газ, мощностью 522 кВт. Центробежный компрессор был создан из турбонагнетателя воздуха в двигатель.

Тепло от конденсатора теплового насоса дополнялось поступле­нием тепла от системы охлаждения газового двигателя. В качестве хладоагента применен R12, достигнут коэффициент преобразова­ния 5,1 и коэффициент первичной энергии (КПЭ) (см. гл. 2) уста­новки приближался к 1,5. Установка оказалась неэкономичной, частично из-за повышенных эксплуатационных расходов, но в ос­новном из-за излишеств при проектировании. Капиталовложения составили 103 200 ф. ст. (в ценах 1953 г.), тогда как при правильном выборе нагрузок они составили бы 52 500. Характеристики этой и других английских установок приведены в табл. 1.2.

Один из первых успешно работавших домашних тепловых насо­сов установил в своем доме Самиер [Ю] — конструктор описанной выше установки в Норвиче. Одноэтажный дом имел хорошую теп­лоизоляцию и полностью отапливался тепловым насосом. Сначала, в первые годы эксплуатации, источником тепла был воздух, а затем — подземный теплообменник, использовавший тепло грунта на глубине около 1 м. В комнаты тепло поступало по медным труб­кам, вмонтированным в бетонный пол. Коэффициент преобразова­ния составляет 2,8, и установка нормально работает в настоящее время.
В 50-е годы было выпущено много мелких тепловых насосов домашнего применения (см. установку Лукаса в гл. 5). Наиболее подробно описан холодильник-нагреватель Ферранти [11], осущест­вляющий одновременно охлаждение пищевой кладовой и подачу отведенного тепла при повышенной температуре для нагрева во­ды. Аккумулятором тепла служил бак на 136 л, нагреваемый зимой мощностью 0,7 кВт и летом в жаркие месяцы мощностью 1,3 кВт.

Мощность компрессора 400 Вт, температура кладовки снижается в среднем на 11° С. Интересно, что установка стоила 141 ф. ст., но она была в то время отнесена к предметам роскоши и на нее про­изведена наценка на 60%, что отпугнуло возможных покупателей. Однако те установки, что были проданы, работали хорошо.

Тепловой насос в Наффилд колледже (Оксфорд), который еще существует, хотя и не работает, был запроектирован в 1954 г. [12]. Источник тепла — сточные воды с температурой 15–24° С. Привод компрессора от дизеля мощностью 31 кВт, общий КОП составляет около 4. Схема приведена на рис. 1.3. Стоимость тепла, даваемого этим тепловым насосом, была сопоставлена со стоимостью тепла от котельной и теплового насоса с электроприводом; 2,4, 3,15 и 3,8 пейса за 1 МДж соответственно (все в ценах 1936 г.). Стои­мость нефти тогда была 3,7 пенса за литр, электричества 1,375 пенс/(кВт-ч). Стоимость установки 9310 ф. ст., или 73 ф. ст./кВт тепловой мощности. Как показано на рис. 1.3, тепло охлаждения двигателя используется для дополнительного нагре­ва воды, которая обогревает колледж. Тепловая мощность уста­новки 150, а полная расчетная тепловая нагрузка 450 кВт.

Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практи­ческую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (впос­ледствии— лорд Кельвин) в 1852 г. Она была названа умножи­телем тепла и показывала, как можно холодильную машину эф­фективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения Томсон указывал, что ограниченность энергети­ческих ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять мень­ше топлива, чем обычные печи.

Как видно из рис. 1.1, предложенный Томсоном тепловой насос использует воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывается в цилиндр, расширяется и от этого охлаждается, а затем проходит через теплообменник, где нагревается наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из ци­линдра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей.

Есть данные о том, что фактически реализована подобная ма­шина была в Швейцарии. Томсон заявил, что его тепловой насос способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на прямое отопление.

Первая крупная теплонасосная установка в Европе была вве­дена в действие в Цюрихе в 1938–1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладоагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. Эта и другие швейцар­ские установки перечислены в табл. 1.1 . Цель создания этих ус­тановок — сокращение потребления угля в стране. Некоторые нз них успешно работают более 30 лет.

Как будет показано ниже, имеется много книг по тепловым насосам, большая часть из них написана несколькими десятилетиями
ранее. Литература по термодинамике, кондиционированию и даже промышленной технологии пестрит упоминаниями тепловых насосов, число действующих агрегатов семизначно. Однако принцип действия тепловых насосов для некоторых до сих пор таит изрядную
долю тайны, и одна из главных целей предлагаемой книги состоит в преодолении существующего барьера к его пониманию и применению.

Среди различных типов тепловых насосов наибольшее распро­странение получили парокомпрессионные. Единичные мощности со­ставляют от нескольких ватт до нескольких мегаватт, привод комп­рессоров осуществляется как электродвигателями, так и тепловыми двигателями внутреннего и внешнего сгорания. Разнообразны так­же и типы применяемых компрессоров.

Единственное досадное обстоятельство связано с надежностью тепловых насосов. Опыт конца 50-х и начала 60-х годов в США и Европе выявил поломки отдельных частей и относительно высокую стоимость агрегатов, что породило разочарование в тепловых насо­сах. Теперь трудности в основном преодолены — надежность вместе с обслуживанием на дому стали основными факторами, обеспечива­ющими продажу агрегатов.

Развитие тепловых насосов особенно продвинулось под влияни­ем энергетических трудностей 1973 г. Благодаря возможности экономии энергии, что является основным назначением теплового насо­са, их применение расширилось. Они используются в жилых и обще­ственных зданиях, а также в промышленности. Развитие тепловых насосов становится предметом деятельности национальных прави­тельственных и международных организаций.

Вначале рассматриваются исторические вехи разработки и применения тепловых насосов. Затем описаны различные теплона­сосные циклы и их теория, преимущественно для парокомпрессионного типа. Далее рассмотрены основные компоненты установок, привод, компрессор, теплообменники и т. п. вместе с практическими рекомендациями по их выбору. Позже показана важность вспомогательных элементов установок, оказывающих сильное влияние на надежность и, следовательно, масштабы применения тепловых насосов.

Много внимания в книге уделено практическому использованию тепловых насосов. Первая из областей широкого применения — до­машнее отопление и горячее водоснабжение, а также использование сбросного тепла. Подробно рассмотрены возможные внешние и внутренние источники тепла. Наряду с уже выпускаемыми уста­новками, находящимися в продаже, описываются современные исследовательские и конструкторские проработки.

Тепловые насосы нашли широкое применение в общественных зданиях и про­мышленной технологии. Подчеркивается общность принципов холо­дильных машин и тепловых насосов, пути использова­ния тепла холодильных установок.

Отдавая в конечном виде энергию в форме низкотемпературной теплоты (вода ниже 100 или воздух ниже 50° С), эти системы по­требляют для нагрева высококачественное топливо в котельных с нагревом продуктов сгорания до 1500° С, либо, что еще более рас­точительно, электроэнергию.

Масштабы затрат топлива на теплоснабжение весьма велики — более половины всего котелыю-печиого топлива. Термодинамичес­ки рационально расходуется только та его часть, которая сжигается на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) — здесь в максимальной степени используется высокотемпературное тепло продуктов сгорания для выработки электроэнергии, а для теплоснабжения — теплоноситель той температуры, которая близка к необходимой для отопления.

Однако во многих случаях использование ТЭЦ может быть не­рациональным. Там, где потребители теплоты рассредоточены, где не позволяют природные условия, основным источником теплоты остаются различные котельные и печи — от индивидуальных внут-ридомовых печей до крупных районных котельных, а также различ­ные электронагревательные приборы. Тепловой насос призван в максимальной степени заменить отопительные огневые и электро­нагревательные установки.

Развитие теплонасосных установок происходит в настоящее время стремительно. На наших глазах из существующей в течение 100 лет загадки термодинамики они становятся распространенным средством теплоснабжения. Если в настоящее время отопительных теплоиасосных установок для зданий миллионы и промышлен­ных — тысячи, то в ближайшие одно-два десятилетия их количест­во вырастет еще в 10 раз, а общая мощность, по прогнозу техниче­ского комитета МИРЭК по тепловым насосам, составит к 2000 г. от 50 до 150 млн. кВт.

Предлагаемая книга показывает, что тепловой насос находится в центре внимания зарубежных исследователей и промышленных фирм. Это важная область деятельности для машиностроителей и энергетиков, действительно позволяющая обеспечивать теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии и вытесне­нием органического топлива.

Относительно перспектив применения теплоиасосных установок в Украине можно отметить следующее. Исторически сложилось так, что в Украине получил широчайшее применение только один из спосо­бов энергетически эффективного теплоснабжения — комбинированная выработка теплоты и электроэнергии на ТЭЦ (теплофикация). Масштабы теплофикации в Украине выше, чем во всех зарубежных странах, вместе взятых.

Теплонасосные установки с электроприводом можно рассматри­вать в термодинамическом смысле как разновидность теплофика­ции, т. е. выдачу полезной теплоты не за счет недоотпуска электро­энергии, а за счет ее потребления. В Украине они еще мало распространены. Однако имеется много возможностей их эффективного применения, в основном для частичной замены котельных на орга­ническом топливе, а также с использованием сбросного, геотер­мального или солнечного тепла.

Особо следует отметить тепловые насосы, потребляющие не электроэнергию, а газ (абсорбционные и компрессионные с газомоторным приводом). Они подробно описаны в предлагаемой книге.

Авторы снабдили книгу обширной библиографией, и в этом так­же ее несомненное достоинство. Вызывает сожаление лишь отсут­ствие отечественных работ по тепловым насосам. Хотя практиче­ское развитие тепловых насосов в Украине еще уступает зарубежно­му, многие основополагающие работы были сделаны и опублико­ваны именно в нашей стране.

Среди них следует отметить работы известного физика В. А. Михельсона, который в 1920 г. разработал подробный проект парокомпрессиоиной теплонасосной установки с аккумулированием солнечного тепла в грунте.

Заслуживает особого упоминания работа В. А. Зысина, где предложена схема теплового насоса с газомоторным приводом.

Впервые проведены подробные расчеты теплонасосных установок для централизованного теплоснабжения с пиковым догревом подаваемой воды в обычных котельных и показаны воз­можные объемы вытеснения органического топлива в годовом разрезе.

Широко применяемые в настоящее время промышленные теп­ловые насосы открытого цикла для получения острого пара с по­мощью сжатия в компрессоре сбросного пара низкого давления (их в мировой технике уже более 700).

Концепция крупных теплоиасосных станций и маневренных теплонасосных ТЭЦ. Длительно и успешно работающие советские теплонасосные установки, как на морской воде в системе теплохладоснабжения здания, так и промышленная для процесса сушки.