Использование отопительного оборудования предусматривает достаточно серьезные расходы на обслуживание систем и потребляемое сырье. Однако существует альтернатива в виде тепловых насосов, которая появилась относительно недавно, но высоко оценивается специалистами отрасли.
Тепловое оборудование предусматривает необходимость наличия источников энергии. Она извлекается с разных источников, например, водоемов, скважин или колодцев. Тепловое насосное оборудование устанавливают в источниках водозабора с целью дальнейшего отопления бытовых помещений, промышленных объектов. В данной статье мы рассмотрим, на что нужно обратить внимание при выборе теплового насоса, как обеспечить его бесперебойную работу.
Технологии использования теплового насоса обеспечивают значительные экономические, экологические и энергетические преимущества для России. Тепловые насосы используют возобновляемую энергию и могут быть единственной наиболее эффективной технологией для отопления объектов разного назначения. В настоящее время технология применения тепловых насосов усовершенствована и имеет высокие перспективы развития в дальнейшем.
Причины стремительного роста популярности тепловых насосов
Отопительная система в стране устарела, поэтому на данном этапе необходимо развивать концепции, основанные на использовании возобновляемых источников энергии. Именно поэтому эксплуатация тепловых насосов становятся все более популярной. Насосы, работа которых основана на возобновляемой энергии, способствуют повышению устойчивости генерации тепла. Три элемента могут быть выбраны для источника тепла: вода, земля, воздух. В зависимости от этого применяются особые условия использования насосов.
Устройства отличаются и по принципу установки - на открытом воздухе или в закрытом помещении. Например, для закрытых помещений есть вентиляторы с оптимальной эффективностью и низким уровнем шума.
Причиной резкой популярности тепловых насосов считают и постоянный рост цен на энергоносители. В перспективе использование тепловых насосов не будет зависеть от увеличения затрат на энергию, и поэтому эксплуатационные расходы будут низкими. Тепловые насосы могут обеспечить дополнительный комфорт не только зимой, но и летом, поскольку их можно использовать и для охлаждения.
Что представляет собой тепловой насос?
Тепловой насос — это устройство, которое может обеспечивать отопление, охлаждение и горячее водоснабжение. Сфера применения теплового насоса распространяется на жилые, коммерческие, промышленные объекты. Преимущество устройства заключается в том, что оно может обеспечивать обогрев и охлаждение параллельно.
Существует несколько термодинамических принципов, которые используются для организации отопления и охлаждения. Помимо цикла электрического сжатия, компрессор теплового насоса может приводиться в движение электродвигателем или газовым двигателем.
Принцип работы
В основе компрессионного теплового насоса лежит холодильный цикл, который известный как термодинамический цикл. Он состоит из пяти элементов:
- испаритель («жидкость-газ»);
- компрессор;
- конденсатор («газ-жидкость»);
- расширительный клапан;
- транспортная жидкость (хладагент).
В компрессионном холодильном цикле транспортная жидкость или хладагент переносит тепло от низкотемпературного источника энергии к более высокотемпературному поглотителю температурной энергии. В испарителе хладагент испаряется. Механическая энергия используется для сжатия хладагента. На этом этапе температура повышается до необходимого уровня.
Получается, что высокая температура, газ высокого давления поступают в конденсатор, где
энергия передается в распределительную среду. Хладагент пар охлаждается и снова становится жидкостью. Далее она поступает в расширительный клапан. В результате образуется низкое давление, а низкотемпературная жидкость снова направляется в испаритель. Процесс повторяется циклично в замкнутом круге. Изменения рабочего процесса могут быть обусловлены особенностями конструкции.
Особенности холодильного цикла легко можно объяснить в реальной жизни. Например, после бассейна вы чувствуете холод. Это происходит потому, что вода на теле соприкасается с более прохладным воздухом и после испаряется. Для испарения воды на коже используется энергия. Получается, что тело охлаждает кожу и создается эффект холода.
Рабочие температуры тепловых насосов
Тепловые насосы могут работать при температуре от -25 до +25 градусов. Температурный диапазон зависит от конкретной модели и используемого хладагента. Несоответствия температурных показателей могут быть компенсированы за счет ступенчатой конструкции. В этом случае потребуется объединить два компрессора. Чаще всего это допустимо с разными хладагентами. В этом случае тепло от первого теплового насоса является источником энергии для второго процесса охлаждения.
Также в ассортименте тепловых насосов встречаются промышленные модели. Они используются для применения при других температурных значениях. Для организации отопления с помощью этих насосов возможно достичь показателей до +55 градусов, для горячего водоснабжения - до +65 градусов. Ключевой проблемой проектирования промышленных тепловых насосов является правильный подбор компонентов, способных работать при более высоких температурах источника энергии.
Специфика термодинамических процессов
Тепловые насосы способны переносить тепло из одного источника в другой. Даже если в этих двух местах фиксируются разные температуры, тепловой насос предназначен для транспортировки тепла из окружающей среды с более низкой температурой в здание с более высокой температурой.
Это объясняется законом термодинамики, который обозначает переходы тепла от более высоких температур до низких. Это означает, что низкие температуры коллектора будут компенсированы за счет поглощения температур с окружающей среды с более высокими температурами.
Значение компрессора в системе теплового насоса
Компрессор - ключевой элемент теплового насоса. Его задача состоит в том, чтобы подавать механическую энергию для выполнения холодильного цикла. Компрессор занимает в газообразном хладагенте при низком давлении и температуре. При повышенных температурах происходит его сжатие, после чего при высоком давлении его сбрасывает обратно.
Компрессоры классифицируют по показателям давления, условиям окружающей среды, структуре и тип. Существует два основных типа компрессоров – компрессоры объемного типа и динамического типа.
Компрессоры прямого вытеснения работают путем выдавливания фиксированного объема жидкости из входной напорной секции компрессора в зону нагнетания компрессора. Механические поршни могут быть одностороннего, двустороннего действия или диафрагменного типа.
Компрессоры имеют два вращающихся элемента, похожих на колеса, между которыми находится хладагент. Эти компрессоры очень эффективны, потому что действия по всасыванию хладагент и его сжатие происходят одновременно.
Эти компрессоры делятся на: лопастные, жидкостно-кольцевые, пластинчатые, спиральные, винтовые и центробежные.
- В винтовом компрессоре используется пара винтовых роторов, которые работают вместе на сжатие. В таких моделях хладагент расположен между ними.
- В спиральных моделях используются два переплетенных спиральных диска, работающих вместе для сжатия хладагента. Конструктивно предусмотрена неподвижность верхнего диска и перемещение нижнего.
- Роторно-лопастный предусматривает расположение внутри корпуса насоса двух роторов. Один из них приводится в движение двигателем, а другой — редуктором. Когда один вращается, другой вращается в противоположном направлении.
- Жидкостно-кольцевой компрессор имеет ротор с несколькими неподвижными лопастями. Они перемещаются эксцентрично в цилиндре.
Центробежные компрессоры для тепловых насосов работают за счет вращений рабочего колеса для создания центробежной силы. Диффузор преобразует энергию скорости в давление. Такие модели оборудования приспособлены для сжатия больших объемов хладагента до относительно
низких показателей давления.
Осевой компрессор - это динамичный вращающийся компрессор, непрерывно ускоряющий перемещение
жидкости. Она протекает в осевом направлении через несколько вращающихся лопастей. Траектория потока уменьшается в поперечном сечении в направлении потока.
Роль дроссельного клапана
Дроссельный клапан снижает давление фреона от конденсатора до испарителя. Для возможности испарения хладагента при низких температурах нужно низкое давление. Испаритель должен всегда снабжаться таким количеством хладагента, которое он может обработать в правильных условиях эксплуатации.
Если жидкость не испаряется в полном объеме, проблема заключается в попадании большого объема фреона в испаритель. В результате есть риски образования жидкостных пробок. Если в испаритель подается слишком мало хладагента, он будет работать неправильно. Из-за этого фиксируют чрезмерный перегрев хладагента.
Расширительные клапаны не регулируют температуру испарения напрямую. Они регулируют перегрев путем контроля расхода фреона и поддержания разницы давлений между конденсатором (высокое давление) и испарителем (низкого давления).
Дроссельные клапаны бывают:
1. Нерегулируемыми. Они не содержат движущихся частей, чаще всего они состоят только из медной трубы. Падение в давление хладагента происходит за счет узкой трубки. Масса
потока через трубку зависит от разницы давлений между конденсатором и испарением.
2. Механическими саморегулирующимися. Это игольчатый клапан с ручным управлением. Положение иглы фиксировано, а массовый расход через нее зависит от разницы давления в клапане.
3. Электрическими саморегулирующимися. Являются наиболее используемыми расширительными устройствами. Ключевым преимуществом считают большой выбор размеров расширительного клапана.
Зачем нужен испаритель в тепловом насосе?
Испаритель предназначен для отвода тепловой энергии от источника тепла. Теплопередача допустима только при разнице температур между теплоносителем и хладагентом. Достаточно разницы в 10 градусов для обеспечения теплопередачи. Жидкий фреон поступает в испаритель после дросселирования. Жидкость полностью испаряется при прохождении через испаритель. В ходе этого процесса фреон поглощает тепловую энергию теплоносителя.
Испарители отличаются по ряду критериев. По типу источника выделяют следующие модели:
- жидкостные испарители сочетают хорошую теплопередачу с компактной конструкцией;
- затопленные испарители работают совместно с ресивером;
- прямого испарения.
Другие компоненты теплового насоса
Комплектацией такого насоса предусмотрено наличие других комплектующих:
- Фильтр-осушитель - это устройство, используемое для предотвращения загрязнения хладагентом в системах отопления и при холодильном цикле.
Наличие этого элемента объясняется тем, что попадание влаги в систему способно засорить систему управления. В результате влажные хладагенты могут распадаться с образованием вредных кислот. Это может привести к коррозии или полному отказу двигателя. Фильтр может ограничивать свободный поток хладагента в расширительный клапан. Он эффективно предотвращает стекание примесей назад. Фильтр-осушитель обычно устанавливается между испарителем и расширительным клапаном.
- Ресиверы используются для хранения хладагента.
Они позволяют поддерживать требуемое количество хладагентов в различных условиях работы. Также он выполняет защитную функцию. За счет своего расположения между конденсатором и расширительным клапаном ресивер способен отделять пар пузырьков.
- Маслоотделители.
Их использование связано с получением масла при работе компрессоров тепловых насосов. Когда
компрессор работает, небольшое количество масла поступает в виде горячего сжатого пара фреона. Маслоотделитель способен отделить масло от сжатого горячего пара. Его устанавливают между выходом компрессора и конденсатором. Масло в системе теплового насоса охлаждается до более низких температур. Маслоотделители очень эффективны. Обычно они используются на крупных коммерческих объектах.
Хладагент отвечает за передачу энергии в системе теплового насоса. В качестве хладагента можно использовать любой материал, если он способен выпариваться при низких температурах. Выбор хладагента определяется поставленными целями. На выбор хладагента влияют его физические, химические и физиологические свойства.
Абсорбционная система связана с использованием тепловой энергии. Она необходима для завершения цикла охлаждения. Компрессор и хладагент необходимы для создания цикла теплового насоса. Химический процесс происходит за счет преобразования низкотемпературного пара в пар высокого давления. Абсорбционная система может использовать различные виды источников тепла.