Принцип роботи теплового насоса

Сьогодні, для опалення будівель використовується теплогенератори різних типів. Широкого застосування набули газові та електричні котли, обладнання для спалювання вугілля чи біомаси. І звичайно, з кожним роком все більше зростає частка обладнання, що використовує відновлювальні джерела енергії. Одним з самих перспективних напрямків розвитку теплопогенеруючого обладнання є застосування теплових насосів. Технологія, яку більше 100 років тому описав видатний британський фізик ВільямТомсон (лорд Кельвін), останні десятиліття постійно вдосконалюється. Ще в 1855 австрійський інженер Петер фон Ріттінгер спроектував та виготовив перший відомий прототип теплового насосу. Масове використання теплових насосів для опалення будівель почалось в 60-70-х роках ХХ століття.

Тепловий насос це пристрій для перенесення теплової енергії від низькопотенціального джерела тепла (наприклад, зовнішнє повітря або грунт) до соживача тепла з високою температурою. Для роботи теплового насосу необхідно використання зовнішньої енергії: механічної, електричної, хімічної і т.п. Теплові насоси за принципом роботи поділяються на велику кількість різновидів.

Це і сорбційні (абсорбційні / адсорбційні) та струйні (пароінжекторні) теплові машини, які застосовуються для утилізації надлишкового тепла; це і термоелектричні теплові насоси, які ми використовуємо у невеликих переносних автомобільних холодильниках. Але беззаперечно, домінуючим типом на ринку теплових насосів є паро-компресійні установки - практично всі побутові теплонасосні машини працюють за цим принципом. Робота паро-компресійного теплового насосу заснована на одному з фундаментальних положень термодинаміки - циклі Карно. Це єдиний оборотний цикл, що відбувється в замкнутій системі та може здійснюватись в прямому та зворотньому напрямках. Відповідно установка на основі циклу Карно може працювати як кондиціонер чи тепловий насос, або поєднувати в одному пристрої функції опалення та охолодження. Компресійні теплові насоси застосовують механічну енергію, використовуючи електроенергію в якості джерела живлення.

ТЕПЛОВИЙ НАСОС - це пристрій для перенесення теплової енергії від низькопотенціального джерела тепла (наприклад, зовнішнє повітря або грунт) до соживача тепла з високою температурою.

Розглянемо більш детально будову та принцип роботи паро-компресійного теплового насосу, що використовує як джерело відбору тепла - навколишнє середовище. Конструкція паро-компресійного теплового насосу складається з таких основних компонентів:

конденсатор

дросельний клапан

випарник

компресор

В герметичному контурі теплового насосу знаходиться холодоагент (робоче тіло), в основному, використовуються фреони, що не містять хлору і є безпечними для озонового шару нашої планети. Робочий цикл теплового насосу заснований на перенесенні температури робочим тілом (холодоагентом) внаслідок зміни тиску та фазового переходу - з рідкого стану в газоподібний і навпаки, під впливом механічної дії.

Знаходячись під низьким тиском у випарнику холодоагент здатен кипіти при низькій температурі, що дозволяє відбирати тепло від низькопотенційного джерела енергії: повітря, грунту, води. Далі робоче тіло (газоподібний стан) надходить в компресор, де стискається внаслідок механічної дії, що призводить до різкого підвищення температури. Потім холодоагент подається на теплообмінник - конденсатор, де при високому тиску починає конденсувати. Внаслідок конденсування виділяється тепло, яке передається теплоносію системи опалення. Після конденсатора робоче тіло проходить через дросельний клапан, який знижує тиск, що призводить і до зниження температури. На цьому термодинамічний цикл замикається і холодоагент знову готовий до кипіння та відбору тепла у випарнику. Таким чином теплова потужність теплових насосів на 80% складається з відновлювальної енергії навколишнього середовища і лише 20% енергії використовується для роботи самого теплового насосу. Теплові насоси забезпечують опалення приміщень та гаряче водопостачання. А за наявності в контурі теплового насосу реверсивного вентиля, здатні працювати в зворотньому режимі - здійснювати охолодження приміщень.

Серцем теплового насосу звичайно є компресор, від якого в основному і залежать технічні характеристики установки.

Класифікація теплових насосів за джерелом енергії (тепла)

Умовою роботи теплового насосу є наявність джерела енергії, тепло з якого буде відбиратись для забезпечення процесу кипіння робочого тіла у випарнику. За типом джерела тепла насоси поділяються на наступні групи:

геотермальні: використання тепла грунту або підземних вод
повітряні: використання тепла навколишнього повітря
окремо можна виділити теплові насоси, що використовують вторинне тепло іншого теплового процесу, яке потребує утилізації - наприклад, тепло технологічного процесу чи стічні води.