18.5. Тепловой насос

По обратному циклу могут работать не только холодильные машины, задачей которых является поддержание температуры охлаждаемого помещения на заданном уровне, но и так называемые тепловые насосы, с помощью которых теплота низкого потенциала, забираемая от окружающей среды с помощью затраченной извне работы, при более высокой температуре отдается внешнему потребителю.

Характеристикой совершенства работы теплового насоса является отношение отданного внешнему потребителю удельного количества теплоты к затраченной на это удельной работе:

Коэффициент называется или отопительным коэффициентом, или коэффициентом теплоиспользования, или коэффициентом преобразования теплового насоса.

Работа теплового насоса в принципе не отличается от работы холодильной установки. Тепловой насос для нужд отопления применяют в тех случаях, когда имеется источник теплоты с низкой температурой (например, вода в различных водоемах; вода, получаемая после охлаждения гидрогенераторов, и др.), а также источник дешевой работы. Использование теплоты источников с низкой температурой может иметь определенное значение в районах, где будет производиться огромное количество дешевой электрической энергии на гидроэлектростанциях. Применение теплового насоса для целей отопления и коммунального теплоснабжения с использованием электроэнергии от обычных конденсационных электростанций экономически нецелесообразно.

Работа теплового насоса состоит в следующем. За счет теплоты источника с низкой температурой в испарителе 1 происходит процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой кипения (аммиак, фреон) (рис. …110). Полученный пар направляется в компрессор 2, в котором температура рабочего тела повышается от до . Пар с температурой поступает в конденсатор 3, где при конденсации отдает свою теплоту жидкости, циркулирующей в отопительной системе. Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дроссельный вентиль 4. Там он дросселируется с понижением давления от до . После дроссельного вентиля жидкое рабочее тело снова поступает в испаритель 1.

Рисунок 110 – Схема теплового насоса: 1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – дроссельный вентиль.

Идеальный цикл теплового насоса аналогичен циклу паровой компрессорной холодильной установки (см. рис. 103).

Если обозначить удельное количество теплоты, получаемое фреоном в испарителе, через , а удельное количество теплоты, отданное в отопительную систему,–через и затраченную удельную работу в компрессоре–через , то .

Из рассмотрения цикла следует, что

Энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не изменяется, поэтому , а

откуда

Если бы тепловой насос работал по обратному циклу Карно, то коэффициент преобразования был бы

Например, при отоплении здания зимой температура речной воды , а температура рабочего тела в отопительной системе , при этих условиях

Эта величина показывает, что тепловой насос передает количество теплоты в отопительную систему в пять раз больше, чем затрачивается работы.

В ряде случаев благоприятные условия применения теплового насоса получаются, если осуществить привод компрессора непосредственно от поршневого двигателя внутреннего сгорания. В таких установках в качестве источника теплоты с низкой температурой используют воду, охлаждающую цилиндры двигателей, а теплоту отходящих газов используют в котлах-утилизаторах отопительной системы.