Альтернативная энергетика, Автономный теплоэнергетический комплекс малой и средней мощьности Опции

[p.svetlanov]

http://www.idealsoilfund.ru
Создание теплового насоса с универсальным способом использования кинетической и тепловой энергии общедоступного атмосферного воздуха на основе высокоэффективных ветродвигателей и тепловых насосов нового поколения с двухфазным аналогом сжимаемой жидкости из смеси атмосферного воздуха и нейтральной жидкостью, например, водой или маслом. Освоение производства тепловых насосов с техническими, технологическими и экологическими характеристиками, превосходящими зарубежные аналоги, с электрическим приводом и приводом от ветродвигателя. Внедрение установок теплоснабжения, кондиционирования и горячего водоснабжения на объекты промышленного, социального и гражданского назначения.
Устройство использования кинетической и тепловой энергии общедоступного атмосферно воздуха на основе высокоэффективных ветродвигателей и тепловых насосов нового поколения с двухфазным аналогом сжимаемой жидкости из смеси воздух – вода или воздух – масло, позволяющее потребителю иметь систему независимого индивидуального отопления, горячего водоснабжения и хладообеспечения, которую он может использовать как автономно, так и совместно с центральной системой отопления. Система дает горячую воду, отапливает помещение зимой и охлаждает летом, при необходимости дает электрическую энергию, дистиллированную воду и сжатый воздух для пневматических инструментов.
Предлагаемый комплекс позволяет потребителю иметь систему независимого индивидуального отопления, горячего водоснабжения и хладообеспечения, которую он может использовать как автономно, так и совместно с центральной системой отопления. Система дает горячую воду, отапливает помещение зимой и охлаждает летом, при необходимости дает электрическую энергию, дистиллированную воду и сжатый воздух для пневматических инструментов. Она позволяет в 8-10 раз снизить затраты на отопление, автоматически поддерживать комфортные тепловые характеристики в своем жилище или на предприятии. Комплекс отличает надежная автоматическая работа, не требующая постоянного присутствия человека, минимальные эксплуатационные расходы по сравнению с другими отопительными системами, длительный срок службы без капитального ремонта (10-20лет). Комплекс экологически безопасен, не содержит вредных и ядовитых веществ, не нарушает экологическое равновесие природы, может иметь в зависимости от стоящей перед ним задачей как самую простую (локальную) систему, так и очень сложную многоуровневую систему отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования, поставки сжатого воздуха, дистиллированной воды и электрической энергии.
На сегодняшний день в развитых странах Европы и Америки 35-50% теплоснабжения жилья и производственных помещений обеспечивается за счет тепловых насосов, которые работают с использованием ядовитых теплоносителей, которые несут постоянную экологическую угрозу окружающей среде и озоновому слою земли.
По данным на 1997 год из 90 миллионов тепловых насосов, установленных в мире, примерно только 5%, или 4,28 миллиона аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 миллионами систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда.
В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 миллионов установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 миллионов систем.
Подобное нерасположение Европы к тепловым насосам имеет свои причины, однако, в последнее время отношение начинает меняться. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в литературе. Львиную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.
В жилом фонде имеется три миллиона установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель довольно скромный – что-то около 1%. Хотя очевидно, что установленные в торгово-административном фонде 1,2 миллиона агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.
Системы класса «воздух-воздух», главным образом раздельные (англ. – split) реверсивные, преобладают в Южной Европе: Италии, Испании и Греции. В этих странах, однако, выбор системы на основе теплового насоса зачастую обусловлен необходимостью кондиционирования воздуха в летний период. Впрочем, в регионах, лежащих еще южнее, и на островах такие системы часто полностью обеспечивают отопительные потребности в зимний период.

http://www.idealsoilfund.ru

1.Основная часть
1. 1. Тепловые насосы, классификация и область применения
Обычно холодильная машина переносит тело от источника, температура которого ниже окружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, - воде или воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или поддержания низких температур в определенном объеме - холодильной камере.
При помощи холодильной машины тепло можно перенести и к источнику, температура которого значительно выше окружающей среды. Это тепло можно полезно использовать, например, для отопления. В этом случае холодильную машину принято называть тепловым насосом.
По виду затрачиваемой энергии холодильные машины разделяют на компрессионные, теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию.
В машинах первых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого рабочим телом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). В термоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потока электронов на атомы.
В зависимости от свойств и агрегатного состояния рабочих тел, при помощи которых осу-ществляются процессы, холодильные машины делятся на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего тела не изменяется.
В холодильной машине обратный круговой процесс, совершаемый за счет механической энергии, полученной в прямом цикле, может осуществляться в различных условиях.
Машина работает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температуры переносится к окружающей среде. В этом случае она служит для охлаждения или поддержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающей среды к источнику с более высокой температурой холодильная машина работает как тепловой насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится от источника низкой температуры к источнику с температурой выше окружающей среды, машина работает по теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения.
Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.
Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы ис-пользованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.
Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:
• тепло земли (тепло грунта);
• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);
• наружный воздух.
В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
• удаляемый вентиляционный воздух;
• канализационные стоки (сточные воды);
• промышленные сбросы;
• тепло технологических процессов;
• бытовые тепловыделения.
Таким образом, существуют большие возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.
Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.
Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:
• тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;
• интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.
Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.
Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и на-сосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.
В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий - от 5 до 70 кВт.
По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл.1.1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.

Таблица 1.1



Тепловой насос, как и всякий другой насос, затрачивает энергию на свою работу и рассеивает эту энергию в окружающей среде в виде тепла. И хотя затраты энергии на работу теплового насоса обычно в несколько раз меньше той тепловой энергии, которую "перекачивает" насос, но они существуют. Потому-то и невозможен "вечный двигатель" второго рода -устройство, которое целиком превращало бы в полезную работу всю теплоту, получаемую от какого-либо источника, например от реки или моря.

Рис. 1.1. Схема теплового насоса
Казалось бы, что тепловой насос - это техническая диковинка, которую редко увидишь. На самом же деле с тепловыми насосами знаком даже каждый ребенок, ибо обычный домашний холодильник - это тоже тепловой насос. Он "выкачивает" тепло из морозильной камеры и отдает его трубчатой решетке - радиатору за задней стенкой холодильника, которая от этого становится теплой, а иногда даже горячей. Охлаждая морозильную камеру, холодильник согревает комнату, в которой установлен, так что при холодной погоде домашний холодильник полезен еще и тем, что одновременно служит дополнительным источником тепла для комнаты. Но это тепло получается исключительно за счет превращения в него электроэнергии, потребляемой холодильником.
А вот если морозильную камеру холодильника погрузить в реку, то холодильник начнет охлаждать воду реки, омывающую морозильную камеру. И тут происходит "чудо": в радиаторе холодильника начинает выделяться тепловой энергии гораздо больше, чем потребляет электрический мотор холодильника от розетки. На первый взгляд КПД устройства становится больше 100%!
На самом же деле никакого нарушения закона сохранения энергии не происходит: к энергии, вкладываемой двигателем компрессора в систему (а в конечном счете в радиатор), добавляется тепловая энергия, отбираемая морозильной камерой от воды реки, которая согревает морозильную камеру, не позволяя ей замерзнуть. Система холодильника начинает "перекачивать" тепло из реки в радиатор. Перекачивает, даже если вода в реке очень холодная, а радиатор в комнате горячий. То есть, как говорят теплотехники, переносит энергию от низкопотенциального источника тепла к высокопотенциальному. Так наш холодильник, предназначавшийся для охлаждения продуктов в морозильной камере, превращается в тепловой насос, согревающий комнату теплом реки даже зимой, когда река покрыта льдом.
Схема такого простейшего теплового насоса приведена на рис.1.1.
Эффективность работы этой схемы характеризуется коэффициентом преобразования теплоты или отопительным коэффициентом
Кот = q1/q0= (q0 + q2)/q0. (1.1)
Здесь q2 - количество теплоты, отбираемое от низкопотенциального источника тепла (реки);
q0 - количество теплоты, сообщаемое рабочему телу теплового насоса компрессором;
q1 - количество теплоты, отдаваемое рабочим телом насоса высокопотенциальному потребителю (радиатору).
Понятно, что отопительный коэффициент Кт больше единицы. В холодильной технике отношение
Е = q2 / q0 = Т2 / ( Т1 – Т2 ) (1.2)
называют холодильным коэффициентом. (Здесь Т1, Т2 - температуры в градусах Кельвина в точках, указанных на рис. 1.1).
С учетом формулы (2) получим из (1 ) еще одно выражение для отопительного коэффициента
Кот = Е + 1. (1. 3)
Для примера рассчитаем эффективность работы теплового насоса для обогрева жилого помещения теплом реки зимой, когда вода подо льдом реки имеет температуру Т2 всего 3°С. Батареи водяного отопления в помещении должны иметь температуру Т1 = 70°С, то есть быть не очень горячими, чтобы не обжечь руку, но и достаточно теплыми, чтобы согревать воздух в комнате. Холодильный коэффициент тогда будет
Е= (273+3)/(70 - 3) = 4,1. (1.4)
А отопительный коэффициент
Кот = Е + 1 = 5,1. (1.5)
Это означает, что только пятую часть тепла батареи отопления здания будут получать от компрессора теплового насоса (на что расходуется электроэнергия или дизельное топливо), а 80% тепла даст река. Выгодно? - Конечно, выгодно, особенно в наши дни, когда дизельное топливо (как и другие виды топлива) становится все дороже и дефицитнее, а электроэнергия тоже дорожает.
Выгодно не только с точки зрения экономии топлива. Выгода от использования таких систем отопления заключается еще и в том, что они не загрязняют природу продуктами сгорания, а наоборот, очищают воду рек от лишнего тепла. Ведь "тепловое загрязнете" воды рек и озер из-за сброса в них сточных вод городов и отработанных теплых вод заводов и теплоэлектростанций с каждым годом становится все заметнее. Наши реки за последние полвека стали не только грязнее, но и теплее. И летом уже приходится только мечтать о былой прохладе речной воды. Рыбам в такой воде тоже не очень нравится, а вот болезнетворные бактерии и вредные голубые водоросли развиваются интенсивно.
Тепловое загрязнение природы уже перерастает в глобальную проблему, вызывая расстройство климата на Земле. И скоро, очень скоро человечество вынуждено будет вводить квоты для стран по годовому выбросу тепла в водоемы и атмосферу, как уже ввело квоты по выбросу парниковых газов.
Так почему же тепло рек, способное заменить тысячи котельных, до сих пор не используют в широких масштабах для обогрева городов, а продолжают сжигать для этих целей тысячи тонн дефицитных угля, газа и нефти?
Или, может, в реке не хватит тепла для обогрева целого города? Давайте подсчитаем.
Из всех известных людям веществ вода обладает максимальной удельной теплоемкостью - 1 ккал/литр* град.С). И если бы, например, у реки Волги отбирать тепло с помощью тепловых насосов, то при среднегодовом стоке этой реки в 200 км3 охлаждение ее воды всего на один градус Цельсия давало бы 2*1014 ккал в год, или же в пересчете на электроэнергию, более двухсот миллионов мегават-часов в год. Это в 3 раза больше, чем вырабатывает весь каскад волжских гидроэлектростанций!
Спрашивается, стоило ли тогда возводить этот каскад, затопляя "рукотворными морями" плодороднейшие земли и лишая Волгу рыбы?
По большому счету, конечно, не стоило. Но возвести гидроэлектростанции было проще, чем создавать тепловые насосы такой же мощности. Лишь огромная нужда заставляла немцев в конце второй мировой войны, когда Германия оказалась отрезанной от источников нефти, срочно ставить тепловые насосы для обеспечения теплом некоторых объектов, стоявших на берегах рек. Обычные котельные, сжигающие мазут или уголь, конструктивно были проще и дешевле. Вот и жгли люди из века в век дрова, уголь, нефть, газ, пока тех хватало.
Так почему тепловой насос сложнее обычной котельной? А взгляните на конструкцию домашнего холодильника. Теплоносителем (рабочим телом) в нем служит фреон (или аммиак), который при работе холодильника в одном его узле (компрессоре) сжимается, а в другом (охлаждающей рубашке морозильной камеры) испаряется. При испарении образуется холод, ибо на испарение сжиженного газа идет тепло, изымаемое из морозильной камеры. А при сжатии и сжижении газа в компрессоре выделяется тепло, которое и отдается решетке-радиатору за задней стенкой холодильника. В случае принудительной циркуляции рабочего тела от испарителя к компрессору и происходит перенос тепла от холодной морозильной камеры к горячему радиатору.
В такой схеме рабочее тело (хладагент) должно иметь температуру кипения ниже температуры воздуха в комнате. А точнее, ниже той температуры, которую надо создавать в морозильной камере. Поэтому в качестве рабочего тела и используют фреон или аммиак, имеющие низкие (криогенные) температуры кипения.
В первых тепловых насосах, предназначавшихся для обогрева зданий теплом рек, использовали ту же схему и тот же ядовитый аммиак. Только его там надо было гораздо больше, чем в домашнем холодильнике. А это целое криогенное хозяйство - дело сложное, опасное и дорогое. Подбрасывать дрова или уголь в топку обычной котельной гораздо проще. Вот и развивался топливно-энергетический комплекс в ущерб экологии планеты. Сейчас его развитие, как давление в паровом котле, достигло той красной черты, переступить которую будет чревато взрывом - экологической катастрофой глобальных масштабов.
Поэтому разработка мощных тепловых насосов простой конструкции имеет стратегически важное значение как для будущего энергетики планеты, так и для спасения ее экологии.
Но дело это непростое. Особенно если мы хотим не только заменить тепловыми насосами котельные, но и использовать их для производства электроэнергии вместо тепловых и гидроэлектростанций. Судите сами. Для работы турбины тепловой электростанции требуется пар. Значит, тепловой насос, если мы хотим просто заменить им топку, должен нагревать воду уже не до 70, а как минимум до 150°С. Но при этом холодильный коэффициент теплового насоса падает до величины
Е= 276/ (150 - 3) = 1,9.
А отопительный коэффициент Кт = Е + 1 становится всего лишь 2,9.
Получается, что треть вырабатываемой электроэнергии надо будет затрачивать на осуществление работы по сжатию рабочего тела компрессором, то есть возвращать в систему. Но КПД того же компрессора вместе с турбинами электростанции отнюдь не 100%, а где-то всего 30%. С учетом этих потерь получается, что такая электростанция едва сможет обеспечивать электроэнергией саму себя, а для внешних потребителей ее уже не останется. Вот и не проектировали такие электростанции: зачем мудрить, если проще было перегородить реку плотиной и поставить мощную турбину.
Но на сегодняшний день такой подход устарел. Экологическая ситуация на планете неумолимо требует пересмотреть его и изыскивать новые возможности для разработки высокоэффективных тепловых насосов, способных заменить не только котельные, но и тепловые, гидравлические и даже атомные электростанции.

1.1.1. Попытка сыграть на зависимости теплоемкости воды от давления

В тепловых насосах в качестве рабочего тела используют, как и в холодильниках, в основном жидкости, имеющие низкую температуру кипения. Но известны и конструкции, в которых используется смесь паров с каплями жидкости. При этом "игра" по-прежнему идет за счет фазовых переходов газ-жидкость и обратно, при которых выделяется или поглощается скрытая теплота испарения рабочего тела.
Была сделана попытка создать тепловой насос, в котором в качестве рабочего тела используется жидкость, работающая без всяких фазовых переходов. Тепловые насосы, работающие без фазовых переходов, в принципе тоже возможны. Так, если в теплообменнике, отбирающем тепло из реки, газообразное рабочее тело (например воздух) имеет температуру Т1, ниже 0°С, то оно может нагреться здесь теплом речной воды до какой-то более высокой температуры (но ниже температуры воды в реке). Если затем этот газ сжать компрессором, то за счет превращения в тепло работы компрессора, затрачиваемой на сжатие газа, газ нагреется до температуры Т2. А в высокотемпературном теплообменнике, куда компрессор подает этот сжатый газ, происходит передача тепла от него воде охлаждающей рубашки, которая, нагревшись, может быть использована для обогрева батарей водяного отопления здания или других целей. Сдросселировав затем высокое давление сжатого рабочего газа до низкого, уменьшают его температуру до исходной величины (ниже 0°С) и вновь направляют этот газ по замкнутому контуру в низкотемпературный теплообменник, погруженный в реку.
Такие тепловые насосы тоже работоспособны, но менее эффективны, чем работающие на фазовых переходах рабочего тела. Понятно, что они могут работать только на газе, а не на жидкостях, которые практически несжимаемы.
И вот была сделана попытка перешагнуть через эту аксиому.
Гидравликами давно замечено, что вода при высоких давлениях тоже в какой-то мере подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева для идеального газа PV=RT.

Рис. 1.2. Схема теплового насоса со сжимаемой водой в качестве рабочего тела

Только вместо универсальной газовой постоянной в нем надо брать другой коэффициент. Поэтому некоторые из них (например, профессор З.Ф. Немцев из Нижнего Новгорода на X Международном симпозиуме "Перестройка естествознания") иногда даже утверждают, что при повышении давления воды P над ней совершается работа dE~VdP, хотя объем воды V практически не изменяется.
Известно, что удельная теплоемкость воды Cv несколько уменьшается с ростом ее давления Р. Это уменьшение совсем небольшое. Так, с увеличением давления от 1 до 200 атм при 20°С величина Cv уменьшается от 4,183 до 4,141( кДж /кг*град.С).
На этом уменьшении удельной теплоемкости воды при ее сжатии и решили сыграть авторы изобретений из Научно-исследовательского и опытно-конструкторского института автоматизации черной металлургии СССР. В предложенном ими устройстве (см. рис. 1.2) в толстостенном полом стальном шаре 1, заполненном водой, находится теплообменник-змеевик 4, соединенный трубопроводами с потребителем тепла - батареей водяного отопления 5. Вода же, заполняющая шар 1, циркулирует по трубопроводам, соединяющим его с низкотемпературным теплообменником 1, погруженным в реку, из которой отбирают тепло. Давление воды в шаре 1 периодически повышают с помощью насоса 2 до величин, превышающих 1000 атм, а затем, прокачав воду через змеевик 4 и радиатор 5, перекрывают вентиль 3, сбрасывают давление в шаре 1 до исходного и открывают вентиль 6.
Авторы изобретения полагали, что при повышении давления в шаре 1 до столь больших величин (на что из-за малой сжимаемости воды требуется совсем немного энергии) теплоемкость воды упадет настолько, что температура воды в шаре в результате этого поднимется на значительную величину и будет нагревать воду в змеевике 4, а вода - теплообменник 5.
Предполагалась циклическая работа устройства, когда при высоком давлении в шаре 1 происходит отдача тепла из него потребителю 5, а после понижения давления в шаре 1 до нормального, когда теплоемкость воды в нем возрастет, а температура уменьшится, происходит прием тепла водой шара от реки с помощью теплообменника 7.
Но достаточно произвести простой расчет с использованием имеющихся в справочниках и другой литературе экспериментальных величин удельной теплоемкости воды при высоких и сверхвысоких давлениях, чтобы увидеть, что такая "игра", как говорится, "не стоит свеч". Известно, что при сжатии воды до 4 тысяч атм ее удельная теплоемкость при 20-30°С уменьшается только до величины Cv2 = 3,5Дж/(г *град.). И если начальная температура воды 7, была 20°С, то после сжатия воды до такого давления ее температура возрастет до Т2 =Т, - Сv1 /Cv2 = 24°С. Понятно, что ни о каком ощутимом нагреве воды, а тем более об использовании ее тепла путем теплообмена, и речи быть не может.
Тем не менее, эта попытка авторов работ была полезна тем, что стимулировала исследователей и конструкторов начать думать о возможностях использования воды и других жидкостей в качестве рабочего тела тепловых насосов, функционирующих без фазовых переходов.

1.1.2.Вихревая труба в тепловых насосах


Удивительно, но предложение использовать вихревую трубу Ранке в тепловых насосах впервые было сделано только в 1981 г. В.И. Андреевым. Ведь казалось бы, что схема вихревой трубы сама напрашивается для такого ее использования. Если вихревая труба разделяет среднетемпературный поток газа на холодный и горячий потоки, то направив холодный поток в теплообменник, можно отбирать им низкотемпературное тепло из реки, а направив высокотемпературный поток в другой теплообменник, отдавать высокотемпературное тепло потребителю. Смешав затем оба отработанных потока газа и возвратив их вентилятором на вход вихревой трубы, получим тепловой насос.
Примерно так и работает схема (см. рис. 1.3).
Однако в литературе не приведены результаты испытаний установок, выполненных по такой схеме. Ведь она буквально подкупает своей простотой и неприхотливостью. Понятно, что и производительности таких установок могут быть сколь угодно высокими, ибо производительности вихревых труб практически неограниченны. С другой стороны, имеется подозрение, что разности температур потоков в такой схеме будут не очень большими, а эффективность работы вихревых труб в качестве холодильников всегда была ниже, чем компрессорных холодильников, работающих со сжиженным газом.

Рис. 1.3. Схема теплового насоса с вихревой трубой

Известна схема (см. рис. 1.4) теплового насоса с комбинированным использованием и компрессоров ( 7 и 2), и неадиабатной вихревой трубы 3.
Из последней выходит только холодный поток рабочего тела, конденсируемого до капель, который затем в виде паро-капельной смеси поступает в испаритель - приемник тепла речной воды, а после него сжимается первым компрессором. При этом часть потока ответвляется в коаксиальный дополнительный вход вихревой трубы. Остальная часть дожимается во втором компрессоре и уже горячей поступает в высокотемпературный теплообменник 6, где нагревает воду, циркулирующую по вторичному контуру

Рис. 1.4. Схема теплового насоса с недиабатной вихревой трубой и двумя компрессорами
с помощью сетевого насоса 10 через водяную рубашку вихревой трубы 4, теплообменник 6 и далее к батареям водяного отопления 9 потребителя тепла.
Из описанного изобретения опять не ясно, работала ли эта схема на практике и каковы результаты ее работы. Но понятно, что конструкция довольно сложная и не исключено, что капризная в работе.

1.1.3.Выводы

1. Тепловое загрязнение водоемов уже перерастает в глобальную проблему, которую можно было бы решить с помощью тепловых насосов - устройств, трансформирующих низкотемпературное тепло рек, озер или воздуха в высокотемпературное тепло, необходимое для обогрева жилых помещений, если бы их конструкции были проще обычных котельных.
2. Эффективность тепловых насосов уменьшается с увеличением разности температур обогреваемого объекта и низкотемпературного источника тепла, поэтому они малопригодны для выработки водяного пара, необходимого турбинам электростанций.
3. В большинстве тепловых насосов поглощение и выделение тепла теплоносителем осуществляется при фазовых переходах жидкость-пар теплоносителя, в качестве которого используют низкокипящие жидкости. Применение в качестве теплоносителя воды без ее кипячения сделало бы тепловой насос компактнее, так как удельная теплоемкость воды много больше, чем у паров. Но попытки создать тепловой насос, использующий зависимость теплоемкости воды от давления, не приводят к успеху.
4. Предложение использовать вихревую трубу Ранке в тепловых насосах для разделения газообразного теплоносителя на горячий и холодный потоки было сделано только в 1981 г. В.И. Андреевым. Производительности таких тепловых насосов могут быть большими, ибо производительности вихревых труб неограниченны.
5. Идея заменить газ в вихревой трубе жидкостью более полувека никому не приходила в голову, ибо считалось, что процессы перераспределения тепла в вихревой трубе идут за счет сжатия и расширения газа в ней, а жидкости несжимаемы.
6. Ю. С. Потапов в начале 90-х годов обнаружил, что вода в вихревой трубе разделяется не на горячий и холодный потоки, а на горячий и теплый, температура которого не ниже температуры исходной воды, подаваемой в вихревую трубу. Последнее не позволило применить такое техническое решение в тепловых насосах, но привело к разработке вихревых теплогенераторов.
7. Эффективность нагрева воды в вихревой трубе - отношение получаемой тепловой энергии к электроэнергии, потребляемой двигателем насоса, нагнетающего воду в вихревую трубу, оказалось выше 100%. Тем самым открыт новый, практически неиссякаемый источник фактически даровой энергии.

1.2. Источники низкопотенциальной тепловой энергии

Тепловой насос предназначен для использования энергии, получаемой от источника тепла низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.
В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды.
1.2.1.Воздух
Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла. Тем не менее тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по сравнению с водяными теп-ловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:
• быстрым снижением мощности и производительности с падением наружной температуры;
• относительно большой разностью температур конденсации и испарения в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;
• энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование соответствующих вентиляторов.
В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя в диапазоне от 0 до 6 °С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.
Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее эффективными способами.
Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий коэффициент производительности СОР сокращается с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может существенно повысить общую эффективность.
Еще один источник тепла в жилых и торгово-административных сооружениях - отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или теплого воздуха для отопления помещений. В этом случае, однако, требуется постоянное вентилирование в течение всего отопительного сезона или даже целого года, если предусмотрено кондиционирование помещений в летний период. Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена возможность использования и отводимого вентиляционного, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами "воздух-воздух".
Воздух как универсальный теплоноситель используется в больших установках круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать температуру кипения рабочего тела, вследствие этого уменьшается степень совершенства теплонасосной установки. Данные испытания таких установок, использующих воздух в качестве источника тепла, свидетельствуют о том, что средний коэффициент m за отопительный сезон не превышает 2 - 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.

1.2.2. Вода
Наиболее целесообразно применение отходов теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме того, используют также естественные горячие источники в курортных местностях.
Ввиду больших расходов употребление городской воды неэкономично. Однако водные источники из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру близкую к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.
Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.
Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации сточных вод.
Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток - чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она может приближаться к 0 °С). Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она может замерзать на стенках испарителя. По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы в целях предотвращения замораживания испарителя.
Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется в основном в средних и крупных системах. На глубине от 25 до 50 м морская вода имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом. Важно лишь использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.
Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение года температура. Основные ограничения здесь могут составлять расстояние транспортировки и фактические ресурсы, объем которых может меняться. Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.
1.2.3. Грунт
Грунт применяют в качестве естественного источника тепла для зимнего отопления и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, причем выгодно используют его зонную аккумулирующую способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности.
Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника тепла, применяются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно). Могут использоваться:
• системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт;
• системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.
В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них "двойного" теплообмена (грунт - рассол, рассол - хладагент) и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.
Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих климатических условий конкретной местности. В силу производимого отбора тепла во время отопительного сезона его температура понижается.
В условиях холодного климата большая часть энергии извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В летний период под действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям. Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку здесь не задействовано радиогенное тепло земли, содержащееся в глубинных скальных породах.
Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод мало или нет совсем. Тогда нужно пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.


1.3. Цикл теплового насоса
При осуществлении цикла теплового насоса (рис.1.5) рабочее тело воспринимает тепло от окружающей среды или с более высокой температурой (процесс 4 - 1), а затем передает тепло источнику высокой температуры (процесс 2 - 3).


Рис.1.5. Цикл теплового насоса в s - T-диаграмме.
Теплообмен между рабочим телом и источником высокой температуры протекает при конечной разности температур необратимо. В результате такого теплообмена увеличивается энтропия:
(Sd - Sc) - (S2 - S3) = delta S.
Площадь под процессом 4 - 1, характеризующая количество подведенного тепла к рабочему телу, равна площади е - 4' - 5 - к, следовательно, процесс 5 - 4' характеризует убывание энтропии окружающей среды:
(S1 - S4) - (S5 - S4') = delta S1 > 0 .
Степень термодинамического совершенства этого цикла, как и в холодильном цикле, характеризуется коэффициентом обратимости. Для энергетической оценки цикла вводят коэффициент преобразования (трансформации)
j = Q / L
или
j = E + 1.
Если холодильная машина работает по теплофикационному циклу, то для энергетической оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный, границей между которыми является температура окружающей среды.

1.4. Рабочие тела холодильных машин и их применение
Под рабочим телом, или холодильным агентом, понимают физическое тело, с помощью которого совершается отдельный термодинамический процесс или цикл. От характеристики рабочего тела зависит конструкция холодильной машины и расход энергии, поэтому при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические, физико-химические и физиологические свойства. В настоящее время наиболее распространенными рабочими телами являются аммиак, фреон, вода и воздух.
Фреоны - углеводороды, в которых водород полностью или частично заменен галоидами, чаще всего фтором и хлором. Для фреонов ввиду большого числа их установлены сокращенные обозначения. Соединения без атомов водорода записываются для производных метана цифрой 1 (после общего обозначения "фреон" или ф), к которой прибавляют цифру, указывающую число атомов фтора, например фреон-12 для CF2Cl2 и фреон-13 для CF3Cl. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, обозначающей число атомов фтора, ставят соответственно цифры 11, 21, 31, например фреон-113 для C2F3Cl3. При наличии атомов водорода у дериватов метана к первой цифре, а для этана, пропана и бутана соответственно ко второй цифре прибавляют число, равное числу водородных атомов: фреон-21 для CHFCl2, и фреон-22 для CHF2Cl, фреон-351 для C4H4FC5. При замене атомов хлора атомами брома (CF3Br) применяют обозначение фреон-13В1. Существуют и другие классификации фреонов по химическому составу.
При внешних источниках с переменными температурами для уменьшения потерь в процессах теплообмена желательно иметь рабочие тела с переменными температурами кипения и конденсации. Такими свойствами обладают неазеотропные рабочие тела, представляющие собой смесь двух или нескольких веществ с различной зависимостью давления насыщения от температуры, например смесь фреона-11 и фреона-12.
Осуществление цикла теплового насоса в области температур выше окружающей среды вызывает повышение давления в системе. Поэтому рабочие тела для тепловых насосов выбирают таким образом, чтобы при высоких температурах конденсации обеспечивалось умеренное давление конденсации. Кроме того, рабочее тело должно обладать высоким значением объемной холодопроизводительности, а разность давлений конденсации и кипения не должна превышать допустимых пределов.
Рабочее тело не должно быть взрывоопасным и токсичным, особенно там, где тепловые насосы применяются для отопления общественных зданий.
В тепловых насосах с поршневыми компрессорами применяют фреон-12 и бромированный фреон Ф-12В1,который физиологически безвреден и не взрывоопасен. В турбокомпрессорных тепловых насосах большой теплопроизводительности применяют фреоны-11, 12 и 113. Наряду с чистыми рабочими телами применяют также и смеси рабочих тел, как например фреоны-142 и 142, 11и 12 и др.
Аммиак, фреон-12 и фреон-22 используются в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения до (- 30; - 40) °С. В настоящее время предпочтение отдается фреону-22, обладающему более высокой объемной холодопроизводительностью по сравнению с фреоном-12.
Фреон-12 применяют при высоких температурах конденсации, например в тепловых насосах, так как при одной и той же температуре конденсации давление конденсации у него ниже, чем у фреона-22.
Фреон-13 применяют для получения температур кипения до (- 80; - 100) °С. При этом для уменьшения необходимых потерь при дросселировании давление конденсации снижают за счет другой холодильной машины, работающей на рабочем теле среднего давления.
Фреон-11 ввиду его малой объемной холодопроизводительности применяют в турбокомпресорах относительно малой мощности.
Неазеотропные смеси, в которых происходит интенсивное поглощение (адсорбция) пара одного компонента жидкой фазой другого компонента - абсорбента, применяют в абсорбционных холодильных машинах. Другие неазеотропные смеси, например смесь фреона-11 и фреона-12, используют в компрессионных холодильных машинах. В этих машинах применяют также азеотропные смеси 500 (73,8% по весу фреона-12 и 26,2% фреона-152а), 502 (48,8% фреона-22 и 51,2% фреона-115), 501 (75% фреона-22 и 25% фреона-12) и А1 (60% фреона-124 и 40% фреона-С318).
Вода как рабочее тело используется в пароэжекторных холодильных машинах ,где можно сжать большие объемы пара. Воздух является рабочим телом в газовых холодильных машинах.
1.5. Типовая схема теплоснабжения с помощью теплового насоса
Тепловые насосы могут применятся для отопления зданий при круглогодичном кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нужд различных предприятий. Однако использование тепловых насосов должно быть экономически обосновано.



Рис.1.6. Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов
Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов показана на рисунке 1.6. Вода из отопительной установки направляется в сетевой насос СН и нагнетается им для подогрева в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме и включенный последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1 вода нагревается от температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр. После этого вода направляется в конденсатор второй ступени К2, где нагревается до температуры t1. Далее вода входит в отопительную систему, отдает тепло обогреваемым помещениям и при температуре t2 вновь поступает в теплонасосную установку.
Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.
Режим работы теплонасосной машины определяется режимом работы отопительной системы. При повышении наружных температур отопительного сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток рабочего тела после компрессора КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонасосная машина регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д1.
При более низких температурах наружного воздуха включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к увеличению расхода электроэнергии.
Для круглогодичного кондиционирования в южных районах (отопление зимой, кондиционирование воздуха летом) распространение получают мелкие теплонаносные автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки очень компактны и используют наружный воздух в качестве источника низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонасосный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию.

1.5.1. Пример использования теплонасосной системы для горячего
водоснабжения жилого дома

В Москве, в микрорайоне Никулино-2 фактически впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова.
В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:
• парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);
• баки-аккумуляторы горячей воды;
• системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;
• циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.
Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.
Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивает-ся более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.
Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теп-лового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.
Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

1.6. Основные элементы теплового насоса
Компрессоры паровых холодильных машин входят в состав герметически закрытой системы и предназначены для отсасывания холодного агента из испарителя в целях поддержания в последнем давления Ро, сжатия пара и выталкивания его в конденсатор при давлении Рк, необходимом для сжатия.
Производительность компрессора характеризуется холодопроизводительностью машины и зависит от конструкции, режима работы холодильной машины и холодильного агента, на котором она работает.
1.6.1. Классификация компрессоров
Гидравлической машиной называют устройство, преобразующее механическую работу в энергию потока жидкости и наоборот.
Турбиной или гидродвигателем называется гидравлическая машина, в которой в результате обмена энергией происходит преобразование механической энергии жидкости в механическую работу (вращение вала, возвратно-поступательное движение поршня и т.д.).
Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию жидкости. Основное назначение нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды.
Насос - устройство, служащее для напорного перемещения (всасывания, нагнетания) глав-ным образом капельной жидкости в результате сообщения ей энергии. Насосы в основном классифицируют по принципу действия и конструкции. В этом смысле их подразделяют на объемные и динамические.
Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.
Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. В таких компрессорах среда перемещается путем периодического изменения объема камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом компрессора. К ним относятся возвратно-поступательные (поршневые) и роторные (аксиально- и радиально-поршневые, шиберные (пластинчатые), винтовые и т.п.) компрессоры.
К преимуществам объемных компрессоров относятся:
• возможность развивать напор независимо от подачи;
• высокий КПД;
• способность перекачивать жидкости различных вязкости и температуры;
• возможность перекачивать жидкости, содержащие твердые взвеси;
• хорошая всасывающая способность;
• отсутствие пенообразования.
К недостаткам объемных компрессоров относятся:
• сложность конструкции;
• сложная система регулирования подачи;
• пульсирующая подача перекачиваемой жидкости.
Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую среду. В таких компрессорах среда под воздействием гидродинамических сил перемещается в камере (незамкнутом объеме), постоянно сообщающейся с входом и выходом компрессора. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).
Лопастными называют компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса. Лопастные компрессоры объединяют две большие группы компрессоров: центробежные и осевые. В центробежных компрессорах среда пе-ремещается через рабочее колесо от центра к периферии, а в осевых - через рабочее колесо в направлении его оси.
В компрессорах трения и инерции среда перемещается под действием сил трения и сил инерции. В эту группу входят вихревые, лабиринтные, червячные и другие насосы. Среди них выделяют группу насосов-аппаратов, то есть насосов без движущихся частей (не считая клапанов). К этой группе относятся струйные насосы, эрлифты, вытеснители.
Часто насосы поставляют в виде насосного агрегата, то есть насоса и двигателя соединенных между собой. Кроме того, существует понятие насосная установка, то есть насосный агрегат с комплектом оборудования, смонтированного по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса в заданных условиях.
Простейшая классификация компрессоров представлена на рисунке 1.7.
1.6.2. Требования к компрессорам
При проектировании и изготовлении современных компрессоров предусматривают максимальную унификацию и стандартизацию конструкций, то есть создание одинаковых узлов и деталей для компрессоров с неодинаковой холодопроизводительностью и работающих на разных холодильных агентах. Унификация и стандартизация конструкций значительно облегчают организацию серийного производства, снижают себестоимость производства и ремонта.
Компрессоры, используемые в системах теплогазоснабжения и вентиляции, должны удовлетворять следующим основным требованиям:
• соответствие фактическим параметрам работы (давление, расход и мощность) заданным расчетным условиям;
• возможность регулирования подачи и давления в определенных пределах;
• устойчивость и надежность в работе;
• простота монтажа;
• бесшумность при работе.




Рис.1.7. Классификация компрессоров


1.6.3. Объемные компрессоры ( поршневые компрессоры )
Поршневые компрессоры относятся к разряду компрессоры объемного действия, в которых процесс сжатия и перемещения паров хладагента происходит в замкнутом пространстве цилиндра с помощью поршня. Поршневые компрессоры применяются в паровых холодильных машинах. По области применения различают стационарные и транспортные насосы. Кроме того, поршневые насосы подразделяют:

1. По сжимаемым в них хладагентам:
o аммиачные;
o фреоновые (хладоновые);
o универсальные;
2. По величине холодопроизводительности:
o малые (до 14 кВт);
o средние (14…105 кВт);
o крупные (свыше 105 кВт);
3. По числу ступеней сжатия:
o одноступенчатые;
o многоступенчатые (число ступеней обычно не превышает семи);
4. По числу цилиндров:
o одноцилиндровые;
o двухцилиндровые;
o многоцилиндровые (до 16 цилиндров);
5. В зависимости от кинематической схемы и расположения цилиндров в плоскости:
o горизонтальные;
o вертикальные;
o угловые;
o V-образные;
o W-образные;
o VV-образные;
o крестообразные;
o звездообразные;
6. По направлению движения хладагента в цилиндре:
o прямоточные (хладагент проходит по цилиндру только в одном направлении);
o непрямоточные (хладагент меняет направление движения, следуя за поршнем);
7. По типу привода:
o с электродвигателем;
o с двигателем внутреннего сгорания;
8. По конструкции уплотнения картера:
o сальниковые;
o бессальниковые;
o герметичные и др.
В настоящее время наиболее распространенными являются аммиачные и фреоновые (хладоновые), одноступенчатые, сальниковые и бессальниковые поршневые компрессоры простого действия, вертикальные и V-образные, прямоточные и непрямоточные.
Поршневой компрессор (рис.1.8) состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого перемещается поршень 2 с кольцами, всасывающего и нагнетательного клапанов. Поршень в корпусе совершает возвратно-поступательное движение. Преобразование вращательного движения привода в возвратно-поступательное движение поршня осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма. При движении поршня вправо открывается клапан 3, и жидкость заполняет пространство внутри корпуса. При этом клапан 4 закрыт. При движении поршня влево клапан 3 закрыт, открывается клапан 4, и жидкость выталкивается в нагнетательный трубопровод.


Рис.1.8. Схема поршневого насоса.
1 - корпус; 2 - поршень; 3 - всасывающий клапан; 4 - нагнетательный клапан.
Поршневые компрессоры имеют следующие достоинства:
• высокий КПД (до 95 %);
• возможность получения высоких давлений;
• независимость подачи от противодавления сети;
• возможность запуска в работу без предварительного залива (при использовании в качестве насосов).
К недостаткам относится:
• громоздкость конструкции;
• невозможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей из-за сложности привода через кривошипно-шатунный механизм;
• сложность регулирования подачи.
Для поршневых компрессоров предназначенных для транспортных машин большинство деталей изготавливаются из легких материалов и сплавов. Компрессоры автомобильных и железно-дорожных холодильных машин строятся с воздушным охлаждением и поэтому имеют высокую степень оребренности. Не только цилиндры и крышки цилиндров, но и картер имеет ребра.
Работа компрессоров транспортных машин в условиях тряски и вибрации, а также сложность, в ряде случаев и невозможность выполнения ремонта в дорожных условиях вызывают необходимость в значительном увеличении прочности деталей, особенно корпусных, и в повышении общей надежности компрессоров.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[xerospace]

злов37.6BettBettIntoМеньJeweVitaУстьТараNora1404профHardJeweStarMenuУсосКитаRajnTeleiPodOptieasyBoun
ромамузыChilмаршсертЧовдBreaПухаAlleматрLaurSlenсертЖураВолкGoreАркрJetFучасTonyPayoblonслезNicoXsan
VasiWindMornNintSeelПрянWiimElegGrimНишнvadiБешаЮллеGoblсловЕГАдNighCottДаниWoolGiocкатаHeroWindDisn
RaymSmasкороWindунивLasswwwcJeweKrieTeddChroвзлеКитаJeweELEGXboxSonyMystмешо�-85RondосвяБугаLuigMemo
фабрвелеAnniBernOrigStevRobeWindБелоMakeстреSkatсочиJoelМакуResiклейизолмесяMinuКитаПроиAskoWindГорь
DownАртиJeanКолиБертM882ЛихарабоValgПроирубл1985JazzАртиязыккараудовSCRAHounгранWindPinnлистLEGOBork
ValeFranBritромаЛитРслов�ванАтилLuxuGaiuЛитРЛитРШилоЦВолМинктворПрои�ллюHenrАнтоНаумДовлTherЗотоCrac
Paul�демBritinfoТолсMartCleaBattBeauГрибProdСониПьянтворVIIIJackГуриШорыСедлAnneсотрУшак36-4Егорflas
ребеХилтБакуРазмувермесямесямесяТараБашкEricJameMoodмалыLuciКиреМакаStayBikiСодеtuchkasOnlyзоло