Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов
В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).
В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно – принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, – однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально – ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру.
Достоинства компрессионных тепловых насосов. Главное достоинство этого типа тепловых насосов – их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 – то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла – сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте. При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.
Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности – ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным.
Недостатки компрессионных тепловых насосов. К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, – совсем не редкость. Ещё одна особенность – довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.
Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора – поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды – такие ситуации не возникают.
Использование компрессионных тепловых насосов. В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование.
Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы. Абсорбционный тепловой насос (АТН) – специализированный агрегат, служащий для теплоснабжения различных объектов. Источником энергии в АТН может выступать пар, горячие технические жидкости, газы, горячая вода. Тепловой насос (ТН) представляет собой устройство по трансформации теплоты с низким значением температуры на более высокий температурный уровень. АТН подразделяются на солевые и водоаммиачные. Последние наиболее распространены. В водоаммиачном оборудовании хладагентом служит вода, а абсорбентом – водный солевой раствор, преимущественно бромистого лития LiBr.
Абсорбционные тепловые насосы отличаются от компрессионных тем, что вместо механического компрессора процесс повышения давления рабочего тела осуществляется с помощью так называемого термохимического компрессора. Его действие основано на использовании экзотермических процессов смешения и эндотермических процессов разделения. Остальные элементы ТН принципиально аналогичны.
В составе АТН присутствует несколько теплообменных аппаратов, собранных в один агрегат. Тепло -масса обменные аппараты соединены контурами, предназначенными для циркулирования абсорбента и хладагента. У абсорбционного теплового насоса принцип работы основывается на поглощении пара более низкой температуры абсорбентом, с одновременным выделением теплоты. За счет тепла от источника НПТ хладагент закипает под вакуумом. Абсорбент выкачивается в генератор, где выпаривается ранее поглощенный водяной пар. После этого солевой концентрат возвращается в абсорбер, а конденсат паров хладагента – в испаритель. В результате серии теплообменных процессов абсорбционный тепловой насос генерирует тепло, используемое для различных нужд, в зависимости от назначения абсорбционного теплового насоса и сферы его применения.
Рабочими телами в абсорбционных ТН служат бинарные смеси, состоящие из рабочего агента и абсорбента (поглотителя), имеющих различные температуры насыщения и способность в процессе смешения повышать температуру смеси. Наиболее известны пары веществ вода – аммиак и вода – бромистый литий.
В качестве примера рассмотрим принцип работы водоаммиачного абсорбционного ТН, схема которого представлена на рис. 7. Образующийся при разделении рабочего тела в генераторе (за счет подвода теплоты Q (при температуре t = 300°К=27°C) концентрированный пар аммиака низкого давления р поступает в теплообменник-охладитель, где конденсируется, отдавая в окружающую среду количество теплоты Q0 при температуре Т0. Полученный конденсат сжимается насосом до давления р2 = 1,0 МПа. При этом давлении за счет вторичного подвода теплоты Q" при температуре t = 300°К в теплообменнике-испарителе жидкость испаряется. Образовавшийся насыщенный пар высокого давления поступает в смеситель-абсорбер, где смешивается с раствором низкой концентрации. Выделяющаяся за счет абсорбции теплота вызывает нагрев смеси до температуры Т2 = 420°К. Образующийся из этой смеси в абсорбере пар с меньшей концентрацией, но с той же температурой Т2, поступает в теплообменник-конденсатор, где, конденсируясь, отдает теплоту сетевой воде, нагревая ее примерно до 370°К. Нагретую сетевую воду используют для нужд отопления и горячего водоснабжения. Образующийся в теплообменнике-конденсаторе конденсат раствора через дроссель направляется в генератор, где из него снова выпаривается аммиак. Обедненный раствор из генератора подается насосом в смеситель-абсорбер, и цикл повторяется.
Тепловые насосы нового поколения с одноступенчатой регенерацией бинарной смеси имеют коэффициент преобразования до 1,75, а с двухступенчатой – до 2,2.
Перспективная область применения абсорбционных ТН – круглогодовые системы кондиционирования воздуха, использующие ВЭР. В последние годы большое внимание в мире уделяется абсорбционным бромисто-литиевым ТН. Объясняется это их экологической чистотой и высокой эффективностью. Применяются они для получения горячей воды на нужды отопления, горячего водоснабжения, а также для одновременного нагрева и охлаждения технологических сред различных производств.
Рис. 7 Схема абсорбционной установки:
I – генератор; 2 – теплообменник-охладитель; 3 – теплообменник-испаритель; 4 – смеситель-абсорбер; 5 – теплообменник-конденсатор; 6 —дроссель
Рис.8 Тепловой насос абсорбционного типа
Абсорбционные тепловые насосы – довольно громоздкие агрегаты и используются, в основном, в промышленности, рис.8. Это обусловлено наличием большого количества низкотемпературного тепла на производствах, предприятиях, заводах.
АТН, в основном, применяются в промышленности, но сейчас доступны абсорбционные тепловые насосы малой мощности для дома. Единственное ограничение в их использовании – необходимость наличия низкотемпературного тепла в том виде, в каком его может поглотить абсорбент.
Достоинства абсорбционных тепловых насосов. Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов – это возможность использовать для своей работы не только электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности – перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок – вплоть до выхлопных газов и солнечной энергии.
Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, – это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных.
Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма неприятной вонью, так что не заметить сильную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны). В промышленных установках объёмы аммиака велики и концентрация аммиака при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, – считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.
Недостатки абсорбционных тепловых насосов. Главный недостаток этого типа тепловых насосов – более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.
Второй недостаток – сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).
В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке – в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.
В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур – просто их эффективность снижается. Но это не значит, что они могут работать в лютую стужу – на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, – ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции.
Использование абсорбционных тепловых насосов. Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. – вплоть до солнечного нагрева).
В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки – они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли. Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей – где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности – вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим.
Вихревые тепловые насосы. Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздуха, эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии – нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.
Главное достоинство этого типа тепловых насосов – простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу. Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела. В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200°С и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.
Недостатки вихревых тепловых насосов. К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука – такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора – устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.
Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал – не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.
Использование вихревых тепловых насосов. Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах – ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.
Пределы эффективности тепловых насосов. Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева. Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых – обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.
В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов. В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела – перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких – будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.
Глава 2 Основные элементы теплонасосных установок
Схематично тепло насосную установку можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды, во втором – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту тепло датчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику, в третьем- теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения, рис.9.
Рис.9 Контуры теплонасосной установки
Основными элементами теплового насоса являются: испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует хладагент – вещество, способное кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла на жидкое – в другой.
1.Хладагент. Эти жидкости еще называют: хладонами, фреонами, хладагентами. Они обеспечивают стабильную работу и высокую эффективность теплового насоса, но могут создать экологические проблемы в связи с содержанием вредных веществ при изношенности оборудования или при аварийной ситуации. Принято делить периоды использования некоторых групп рабочих жидкостей на четыре поколения.
Первое поколение характеризуется первоначальными попытками человека создавать новые виды холодильных машин. В процессе поиска оптимума используется все, что попадается под руку, в том числе опасные вещества (токсичные, взрывоопасные, горючие).
Второе поколение рабочих жидкостей представляет собой фреоны (углеводороды с галогена замещенными атомами водорода). Временной отрезок хладагентов второго поколения приходится на 1930-1990-е годы, который иногда называют эрой фреонов. Ключевыми показателями фреонов становятся энергоэффективность и безопасность для человека (в отличие от агентов первого поколения).
Дальнейшее развитие стремительно форсируется открытиями озонового слоя и эффектами его разрушения. Все фреоны, содержащие хлор (основной разрушитель озона) объявляются вне закона, и начинается срочный поиск альтернатив. Типичным представителем синтетических хладагентов третьего поколения является озон безопасный R134a (который, однако, утепляет окружающую среду). Внедрение хладагентов четвертого поколения (с 2010 года) связано с необходимостью не только защитить озоновый слой, но и минимизировать эффекты глобального потепления, за которые ответственны холодильные агенты. Наиболее известным представителем хладагентов четвертого поколения является R1234yf (Opteon™ yf), представляющий собой гидрофторолефин.
Решения Монреальского протокола коренным образом изменили подход к традиционным озон разрушающим хладагентам, и начиная с 90-х годов на одно из первых мест вышел вопрос об опасности изменения климата и сохранения эмиссии парниковых газов, вызванной применением таких хладагентов. По степени озон разрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на три группы:
1.хладагентами, с высокой озон разрушающей активностью, являются хлорфторуглероды (ХФУ) R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 (или по международному обозначению CFC11, CFC12, CFC13 и т. д.) и др.;
2. хладагенты с низкой озон разрушающей активностью- гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (или по международному обозначению HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т. д.) и др., в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с ХФУ, и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабочих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, например R22;
3. хладагенты, не содержащие атомов хлора – это, фторуглероды ФУ (FC), гидрофторуглероды ГФУ (HFC), углеводороды (НС) и др. считаются полностью озон безопасными. Таковыми являются хладагенты R134, R134a, R152a, R143a, R125, R32, R23, R218, R116, RC318, R290, R600, R600a, R717 и др.
В качестве альтернативы запрещенным к производству хладагентам Монреальским протоколом рассматриваются следующие классы веществ: гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и природные хладагенты – аммиак, диоксид углерода, вода, углеводороды.
Традиционно, наиболее распространенные рабочие жидкости для тепловых насосов являются: R12 (хлорфторуглерод CFC-12) малая и средняя температуры (макс. 80°C); R114 (хлорфторуглерод CFC-114), высокая температура (макс. 120°C); R500 (фреон R500) средняя температура (до 80° C); R502 (фреон R500,) низкая и средняя температуры (макс. 55°C); R22 (хлорфторуглеводород HCFC-22), применяется практически во всех обратимых и низкотемпературных тепловых насосах (макс. 55°C). CFC (хлорфторуглероды). В связи высокой химической активностью и содержанием в составе этих рабочих жидкостей хлора хлорфторуглероды (CFC) вредны для окружающей среды. Данные рабочие жидкости обладают высоким озон разрушающим потенциалом и способствуют глобальному потеплению. CFC относятся к группе запрещенных хладагентов. Так же тепловые насосы должны обладать высокой энергетической эффективностью, что бы тепловые насосные системы оставались интересны с точки зрения энергосберегающей альтернативы традиционным видам получения энергии. В дополнении к поиску экологически чистых рабочих жидкостей важна модернизация и усовершенствование самих тепловых насосов. Поскольку эффективность тепловой насосной системы больше зависит от конструкции самого теплового насоса и системы распределения энергии, чем от рабочей жидкости, используемой в контуре сжатия.
HCFC (гидрохлорфторуглероды) так же содержат в своем составе хлор, но имеют гораздо более низкий потенциал разрушения озонового слоя чем CFC, около 2-5% от показателей R12. Так же у HCFC в пять раз ниже потенциал способствующего глобальному потеплению. Хладагенты группы HCFC являются, так называемыми переходными рабочими жидкостями. Они предназначены только для модернизации теплонасных систем.
Тепловые насосы заполняются различными безопасными хладагентами. В таблице 2 приведены характеристики хладагента R407C.
Таблица 2 Характеристики хладоагента R407C.
Если тепло отводится водой или воздухом, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур:
R717около+50°С, R502 около+50°С, R22 около+53°С, R134a около+72°С, R142 около+100 °С.
2. Высокопроизводительный испаритель. Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора. Для передачи тепла применяется пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали, состоящий из множества наслоенных друг на друга и спаенных металлических пластин. Благодаря большой поверхности теплообменника и незначительной вместимости имеющаяся тепловая энергия может быстро переноситься от источника тепла к хладагенту. Теплообменник работает по принципу противотока с целью оптимального использования энергии. Пластинчатый теплообменник имеет изоляцию, защищающую от накапливающегося конденсата.