Цикл теплового насоса

Для отопительных целей расходуется огромное количество ценного топлива, тогда как в природе имеются неиспользуемые или, вернее, очень мало используемые, практически бесконечные источники тепла низкой температуры (наружный воздух, вода различных водоемов).

Использование тепла низкотемпературных источников для отопления может быть осуществлено с помощью теплового насоса, представляющего собой установку, в которой температура рабочего тела (теплоносителя) повышается посредством затраты механической (или какой-либо другой) энергии до такого уровня, при котором теплоноситель способен отдать тепло в отопительную систему. Работа теплового насоса, схема которого представлена на рисунке 13.12,состоит в следующем.

В испарителе 1 за счет тепла, воспринятого от наружной среды (например, от речной воды), происходит парообразование низкокипящего теплоносителя (например, фреона); образовавшийся пар сжимается в компрессоре 2 с повышением температуры от Т₀ до Т₁ (зависящей от степени сжатия в компрессоре); затем пар поступает в конденсатор 3, в котором он, конденсируясь, отдает тепло в отопительную систему. Образовавшийся при этом конденсат теплоносителя направляется в дроссельный вентиль 4, в котором происходит понижение его давления до р₀, после чего конденсат вновь поступает в испаритель 1.

Таким образом, несмотря на внешнее сходство, между работой холодильной установки и работой теплового насоса имеется принципиальное различие. В первом случае наружная среда является теплоприемником, в который сбрасывается тепло, отнимаемое от охлаждаемого объекта, во втором случае она является источником тепла, которое передается на более высокий температурный уровень.

Это различие наглядно иллюстрируется Ts -диаграммой (рис. 13.13), на которой представлены одновременно два цикла в области влажных паров рабочего агента – цикл холодильной установки 1-2-3-4-1 и цикл теплового насоса 5-6-7-8-5. Как видно из графика, цикл холодильной установки располагается ниже горизонтали, соответствующей температуре окружающей среды Т₀, а цикл теплового насоса – выше нее.

Естественно, что и критерии оценки эффективности этих двух циклов должны быть различными. Если совершенство цикла холодильной установки определяется количеством тепла, отнимаемым от охлаждаемого объекта за счет единицы затрачиваемой энергии, т. е. ее холодильным коэффициентом е, то совершенство цикла теплонасосной установки определяется количеством тепла, передаваемым в отопительную систему за счет единицы затрачиваемой энергии. Соответственно этому эффективность его характеризуется величиной

, называемой отопительным коэффициентом.

Величина отопительного коэффициента зависит прежде всего от температур холодного источника и горячего приемника тепла. Если эти температуры заданы, то предельно высокую величину отопительного коэффициента можно получить, определив его значение для соответствующего обратного цикла Карно. Так, если температуру внешней среды Т₀ принять равной 275 °К, а температуру теплоносителя в отопительной системе Т – равной 340 °К, то для цикла Карно получаем

.

Естественно, что в действительности отопительный коэффициент теплонасосных установок получается меньшим, но он все же имеет значение от 3 до 4. Этим и определяется преимущество применения тепловых насосов перед непосредственным использованием электронагревательных устройств. Поэтому они и находят все более широкое применение в отопительной технике.