Топлинна помпа - за отопление получаваме топлина от планетата Земя

Топлинна помпа - за отопление получаваме топлина от планетата Земя

В тази статия: История на топлина pump- как работата и видовете топлина pump- на термопомпи и на принципа на съвместяване на професионалния и топлинна енергия от въздуха, водата и grunta- в завършване - плюсовете и минусите на термопомпи.

За да победят зимния студ, собствениците на къщи търсят енергийни носители и подходящи котли за отопление, завиждащи на късметлиите, чиито къщи са снабдени с комуникации, които доставят природен газ. Всяка зима в пещи горят хиляди тона дърва, въглища, нефт, мегавата консумирана в астрономическите суми нарастват с всяка изминала година електричество, и изглежда, че просто няма друг начин, в противен случай ние не загрява къщите. Междувременно, един постоянен източник на топлинна енергия винаги е близо до нашите къщи, но е доста трудно да го забележим като население на Земята. Ами ако използваме топлината на нашата планета, за да затоплим къщите? А подходящо устройство за това е геотермалната термопомпа.

История на термопомпата

Теоретичната обосновка на подобни устройства в 1824 начело на френския физик Сади Карно публикува само неговата работа по парни машини, които се описват от термодинамичния цикъл, 10 години по-късно математически и графично потвърдена от физик Беноа Клапейрон и наречен "Карно цикъл".

Първият лабораторен модел на термопомпата е създаден от английския физик Уилям Томсън, лорд Келвин през 1852 г., по време на експериментите му по термодинамика. Между другото, името на термопомпата дойде от лорд Келвин.

Уилям Томсън, лорд Келвин

Индустриален модел термопомпа е построена през 1856 г. от австрийската минен инженер Петер фон Rittinger, за да използвате това устройство за изпаряване на разсол и отводнителни солени блата с цел извличане на суха сол.

Въпреки това, термопомпата се дължи на американския изобретател Робърт Уебър, който експериментира в края на 40-те години на миналия век с фризер за неговото използване в отоплителните домове. Робърт обърна внимание на факта, че тръбата, напускаща фризера, беше гореща и реши да използва тази топлина за битови нужди, разширявайки тръбата и преминавайки през бойлер с вода. Идеята на изобретателя беше успешна - от този момент горещата домакинска вода беше изобилна, част от топлината беше консумирана безцелно, оставяйки се за атмосферата. Уебър не можа да приеме това и добави към заключението на спиралната бобина, до която се постави вентилаторът, което доведе до инсталация за отопление на въздуха у дома. След известно време, находчиви американци осъзнават, че това е възможно да се извлече топлината, буквално от земята под краката му и зарови в някакъв дълбочина системата на медни тръби, с рециркулация ги фреон. Газът събира топлина в земята, доставя се в къщата и я отвежда, след което се връща обратно в подземния топлинен колектор. Топлинната помпа, създадена от Уебър, беше толкова ефективна, че напълно прехвърли отоплението на къщата в тази инсталация, изоставяйки традиционните отоплителни уреди и енергийни носители.

Топлинната помпа, измислена от Робърт Уебър, в продължение на много години се смяташе за нещо повече от глупост, отколкото наистина ефективен източник на топлинна енергия - петролната енергия беше в изобилие, на доста разумни цени. Нарастващия интерес към възобновяемите източници на топлина произлиза от началото на 70-те години, благодарение на петролното ембарго на 1973 г., по време на който държавите от Персийския залив единодушно отказа да предостави петрол в Съединените щати и Европа. Недостигът на петролни продукти предизвика рязък скок в цените на енергията - спешно бе необходима изход от ситуацията. Въпреки последвалото вдигане на ембаргото през 1975 г. и възстановяването на доставките на петрол, европейски и американски производители са дошли да се пребори с разработват свои собствени модели на геотермални термопомпи, постоянното търсене на която оттогава е само расте.

Проектирането и работата на термопомпата

Тъй като потапяне в земната кора на повърхността която живеем и чиято дебелина е на сушата около 50-80 км, температурата му се повишава - това се дължи на близостта на най-горния слой на магмата, температурата на която е приблизително равна на 1300 ° C. На дълбочина от 3 метра температурата на почвата по всяко време на годината е положителна, като всеки километър дълбочина се покачва средно с 3-10 ° С. покачване на температурата на почвата с дълбочина зависи не само от зоната на климата, но и на геологията на почвата и ендогенна активност в тази област на земята. Например, в Южна Африка покачване на температурата на километър дълбочина почвата е 8 ° С и в Орегон (САЩ), в чиято територия маркиран достатъчно висока ендогенна активност - 150 ° С за всеки км на дълбочина. Въпреки това, за ефективна работа на термопомпата, топлоснабдяването него външна верига не трябва да погреба стотици метра под земята - енергиен източник на топлинна може да бъде всяка среда, като температура по-висока от 0 ° С

Топлинната помпа пренася топлинната енергия от въздух, вода или почва, като повишава температурата по време на прехвърлянето до необходимия хладилен агент поради компресия (компресия). Има два основни типа термопомпи - компресия и сорбция.

Въпреки объркващото наименование, термопомпите за компресия не се отнасят до отопление, а до хладилни устройства, защото работят по същия принцип като всеки хладилник или климатик. Разликата между термопомпа и добре известни хладилни агрегати е, че като правило се изискват две вериги за нейната работа - вътрешна верига, в която охлаждащата течност циркулира и външната циркулира с циркулацията на охлаждащата течност.

По време на работа на това устройство, хладилният агент на вътрешната верига преминава през следните стъпки:

• Охладеният охлаждащ агент в течно състояние влиза в контура през капилярния отвор в изпарителя. Под въздействието на бързото намаляване на налягането, хладилният агент се изпарява и преминава в газообразно състояние. Преместването заедно изпарителни тръби и извити в контакт по време на движение с газообразен или течен топлоносител, охладителя получава охлаждаща течност от топлинна енергия на ниска температура, и след това влиза в компресора;
• В компресорната камера хладилният агент се компресира, докато налягането му се повишава рязко, което води до повишаване на температурата на охлаждащата течност;
• горещ охладител от компресора следва контура на действие кондензатор намотка като топлообменник - тук хладилния агент дава на топлина (около 80-130 ° С) на охлаждащата течност, циркулираща в отоплителния кръг у дома. След като загуби голямата част от топлинната енергия, охладителят се връща в течно състояние;
• докато преминава през клапана за разширение (капилярен) - тя се намира във вътрешния контур на топлообменника термопомпа след следната - остатъчното налягане на хладилния агент се намалява, а след това се влива в изпарителя. От този момент нататък митото цикълът се повтаря отново.

1 - от източника на енергия с нисък потенциал - 2 - изпарител - 3 - компресор - 4 - кондензатор - 5 - от отоплителната верига - 6 - капилярна

По този начин вътрешното разположение на термопомпата се състои от капилярен (разширителен клапан), изпарител, компресор и кондензатор. Операцията на компресора контролира от електронен термостат, спиране на захранването на компресора и по този начин спира процеса на генериране на топлина, когато нивото на температура в дома, от потребителя. Когато температурата спадне под определено ниво, термостатът автоматично включва компресора.

Хладилният агент на вътрешния кръг на термопомпата на циркулиращ фреон R-134a или R-600a - първо чрез тетрафлуоретан втори въз основа на изобутан. И двата хладилни агента са безопасни за озоновия слой на Земята и са екологични.

Компресорните термопомпи могат да се задвижват от електродвигател или от двигател с вътрешно горене.

При сорбционните термопомпи се използва абсорбция - физикохимичен процес, при който газ или течност се увеличава в обем от друг флуид под въздействието на температура и налягане.

Абсорбционните термопомпи са оборудвани с термичен компресор, работещ с природен газ. В своята верига има хладилен агент (обикновено амоняк), изпаряващ се при ниска температура и налягане, който абсорбира топлинната енергия от околната среда около циркулационната верига. В състояние на изпаряване хладилният агент навлиза в абсорбатора на топлообменник, където в присъствието на разтворител (обикновено вода) се абсорбира и се прехвърля в разтворителя. Разтворителят се доставя чрез термосифон, който циркулира през разликата в налягането между охлаждащото вещество и разтворителя или помпа с ниска консумация на енергия в централи с висока мощност.

В резултат на комбинацията на хладилния агент и разтворителя, чиято точка на кипене е различна, топлината, доставяна от хладилния агент, предизвиква изпарение и на двата вида. Охладителят в състояние на пара с висока температура и налягане, се доставя на контура на кондензатора, влиза в течно състояние, и се предава топлина към топлообменника мрежа отопление топлина. След преминаване през разширителния клапан, хладилният агент преминава в първоначалното термодинамично състояние, а разтворителят се връща в първоначалното си състояние.

Предимствата на абсорбционните термопомпи са в способността да работят от всеки източник на топлинна енергия и пълното отсъствие на движещи се елементи, т.е. тишина. Недостатъци - по-малка мощност в сравнение с компресионните модули, висока цена, поради сложността на дизайна и необходимостта от използване на устойчиви на корозия материали, които трудно се обработват.

Адсорбционните термопомпи използват твърди материали като силикагел, активен въглен или зеолит. По време на първия работен етап, наречен десорбционна фаза, се подава топлинна енергия към камерата на топлообменника, която е покрита отвътре със сорбент, например от газовата горелка. Отоплителни предизвиква изпарение на хладилния агент (вода), получената пара се подава към втория топлообменник, изпраща пара, получена чрез кондензация в първата фаза на топлината на отоплителната система. Пълно източване на сорбента и завършването на кондензация на вода във втория топлообменник завърши първата фаза на работа - топлинна енергия доставката на първите престава топлообменни камера. Във втория етап топлообменникът с кондензирана вода става изпарител, който подава топлинна енергия от външната среда към охладителната течност. В резултат на това съотношението на налягането достига 0,6 кРа, при контактуване на топлина от външен охладител на околната среда се изпарява - пара се връща обратно в първия топлообменник, където се адсорбира в сорбента. Топлината, която отделя пара по време на адсорбцията, се прехвърля в отоплителната система, след което цикълът се повтаря. Трябва да се отбележи, че адсорбционните термопомпи за битови нужди не са подходящи - те са предназначени само за сгради с голяма площ (от 400 m 2), все още се разработват по-малко мощни модели.

Видове топлинни колектори за термопомпи

Геотермалните топлинни помпи консумират топлинната енергия на земята или подземните води и са разделени на два типа - затворени и отворени. Затворените топлинни източници са разделени на:

• хоризонтално, докато топлинният колектор се намира в пръстени или зигзаг в окоп с дълбочина 1,3 метра или повече (под дълбочината на замръзване). Този метод за поставяне на контур на топлината е ефективен с малка площ от парцела;
• вертикално, т.е. колектор на колектори поставят във вертикални кладенци, потопени в почвата на дълбочина от 200 m на този метод настаняване колектор място в случаите, когато не съществува възможност да се хоризонтално верига или има смущения заплаха терен .;
• вода, докато резервоарът е разположен зигзагообразно или пръстеновидно в дъното на резервоара под нивото на замръзване. В сравнение с пробивните кладенци, този метод е най-евтиният, но зависи от дълбочината и общото количество вода в резервоара, в зависимост от района.

При отворени термопомпи за топлообмен се използва вода, която след преминаване през термопомпата се изхвърля обратно в земята. Използването на този метод е възможно само ако химическата чистота на водата и допустимото използване на подпочвените води в тази роля от гледна точка на закона.

Във въздушните вериги съответно се използва въздух като източник на топлинна енергия.

Вторичните (извлечени) източници на топлина се използват като правило в предприятия, чийто работен цикъл е свързан с генерирането на топлинна енергия от трети страни (паразитни), което изисква допълнително оползотворяване.

Първите модели на топлинните помпи са напълно подобни на описаната по-горе структура, изобретен от Robert Webber - медна тръба линия действа като външна, така и вътрешна, с хладилен циркулиране него потопена в земята. Изпарител в този дизайн се поставя под земята на дълбочина по-голяма от дълбочината на замръзване или отегчен под ъгъл или вертикално ямки (диаметър 40 до 60 мм) до дълбочина от 15 до 30 м. Пряк верига обмен (тя получава името си) позволява да се поставя на малка площ и с помощта на тръби с малък диаметър да се подава междинен топлообменник. Директната обмяна не изисква принудителна изпомпване на топлоносителя, тъй като няма нужда от циркулационна помпа, след което се изразходва по-малко енергия. Освен това, схемата за топлинна помпа с пряк обмен може да се използва ефективно дори при ниски температури - всеки обект излъчва топлина, когато температурата му над абсолютната нула (-273,15 ° С) и е в състояние да се изпари охладител до -40 ° С Недостатъци на такава схема: голяма нужда от високата цена на мед hladagente- trub- надеждна връзка медни части е възможно само чрез запояване, или хладилен изтичане izbezhat- няма нужда за катодна защита в киселина почвени условия.

Приемът на топлина от въздуха е най-подходящ за горещ климат, тъй като при по-ниски температури ефективността му ще бъде сериозно намалена, което ще изисква допълнителни източници на отопление. Предимството на въздушните термопомпи е липсата на необходимост от скъпо сондиране на кладенци, тъй като външната верига с изпарителя и вентилатора се намира на място близо до къщата. Между другото, представител на еднократна въздушна термопомпа е всяка система за еднокорпусна или климатична инсталация. Цената на въздушна термопомпа, например 24 кВт, е около 163 000 рубли.

Топлинната енергия от резервоара се извлича чрез полагане на контур от пластмасови тръби до дъното на реката или езерото. Дълбочина на полагане от 2 метра, тръбите се притискат към дъното с товар в размер от 5 кг на метър дължина. От всеки работещ метър на такава схема се извлича около 30 W топлинна енергия, т.е. Термопомпа 10 кВт необходимо контур обща дължина от 300 м Предимства на такава схема на сравнително ниска цена и лесна инсталация, недостатъци -. Студове през силен приемане на възможно топлинната енергия.

За да извлече топлина от земята, в ямата се поставя контур от PVC тръби, който се отваря на дълбочина, надвишаваща дълбочината на замръзване, най-малко с половин метър. Разстоянието между тръбите трябва да бъде около 1,5 м, циркулиращата в тях охлаждаща течност - антифриз (обикновено воден саламура). Ефективната работа на земната бримка е пряко свързана с влагата на почвата в момента на нейното разполагане - ако почвата е пясъчна, т.е. Неспособен да задържа вода, тогава дължината на контура трябва да се увеличи приблизително два пъти. От текущия метър на земната верига термопомпата може да извлича средно от 30 до 60 вата топлинна енергия, в зависимост от климатичната зона и типа на почвата. 10 kW термопомпа ще изисква 400-метрова схема, положена на парцел от 400 м. 2. Цената на термопомпа със земна верига е около 500 000 рубли.

Получаването на топлина от скалата ще изисква или полагане на кладенци с диаметър от 168 до 324 mm на дълбочина от 100 метра, или извършване на няколко ямки с по-малка дълбочина. Във всяка ямка се спуска контур, състоящ се от две пластмасови тръби, свързани в долната точка с метална U-образна тръба, действаща като товар. Тръбите циркулират антифриз - само 30% разтвор на етилов алкохол, защото в случай на изтичане няма да причини вреда на околната среда. Гнездото с инсталираната в него схема ще се запълни с времето с подземни води, което ще доведе до нагряване на топлоносителя. Всеки метър от такъв кладенец ще даде около 50 W топлинна енергия, т.е. Термопомпа с мощност 10 kW ще трябва да пробие 170 m от кладенеца. За да получите повече топлинна енергия, пробиването на дълбочина, по-дълбоко от 200 м, не е рентабилно - по-добре е да направите няколко по-малки кладенци на разстояние 15-20 метра между тях. Колкото по-голям е диаметърът на кладенеца, толкова по-малка е дълбочината и е постигнат по-голям прием на топлина - около 600 W на метър.

В сравнение с контурите, поставени в земята или езерото, контурът в кладенеца заема най-малко място, самата ямка може да бъде направена във всякакъв вид почва, включително на скала. Трансферът на топлообмен ще бъде стабилен по всяко време на годината и във всяко време. Въпреки това, възстановяването на такава термопомпа ще отнеме няколко десетилетия, тъй като нейното инсталиране ще струва на собственика повече от един милион рубли.

В края

Предимството на термопомпите е, че те са икономични, тъй като те не харчат повече от 350 вата електричество на час, за да произведат един киловат топлинна енергия на час. За сравнение, ефективността на електроцентралите, генериращи електричество чрез изгаряне на гориво, не надвишава 50%. Системата на термопомпата работи в автоматичен режим, а експлоатационните разходи по време на нейното използване са изключително ниски - необходимо е само електричество за работа на компресора и помпите. Общите размери на инсталацията на термопомпата са приблизително равно на размерите на домашния хладилник, а нивото на шума по време на работа също съвпада с подобен параметър на хладилна уредба за домашни нужди.

Използване на топлинна помпа може да бъде както за производството на топлоенергия, а за да го премахнете - превключване схема работи за охлаждане, топлинната енергия от родните помещения се отстранява чрез външен кръг в почвата, водата или въздуха.

Единственият недостатък на отоплителната система, базирана на термопомпа, е нейната висока цена. В Европа, както и в Съединените щати и Япония, термопомпите са доста чести - в Швеция те са повече от половин милион, а в Япония и САЩ (особено в Орегон) - няколко милиона. Популярността на термопомпите в тези страни се обяснява с подкрепата им от държавните програми под формата на субсидии и компенсации на собствениците на жилища, които са създали такива съоръжения.

Няма съмнение, че в близко бъдеще, термопомпи престават да бъдат нещо необикновено и в Русия, тъй като годишното увеличение на цените на природния газ, днес е единственият конкурент на термопомпата по отношение на финансови разходи за получаване на топлинна енергия.

Абдуджаханов Рустам, rmnt.ru