Поновлювані джерела енергії. Тепловий насос

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Черкаський державний технологічний університет

Доповідь на тему:

"Поновлювані джерела енергії. Тепловий насос"

Керівник: Доц. Манько В.М.

Виконав Бортник Анатолій

Черкаси

2011

Тепловий насос - це сучасний і високотехнологічний прилад для опалення й кондиціювання повітря. Тепловий насос збирає тепло з вулиці або із землі й направляє в будинок. Принцип роботи теплового насоса заснований на відомому циклі Карно.

Використання теплових насосів, беззаперечно, є технологією майбутнього, але ідея зовсім не є новою. Насправді концепція теплових насосів була розроблена ще у 1852 році видатним британським фізиком та інженером Вільямом Томсоном (Лордом Кельвіном), і в подальшому вдосконалена і деталізована австрійським інженером Петером Ріттер фон Ріттінгером (Peter Ritter von Rittinger), якого і вважають винахідником теплового насосу. Саме Ріттінгер з проектував і встановив перший відомий тепловий насос у 1855 році. Сьогодні його ім'ям названа Міжнародна премія по тепловим насосам (медаль із зображенням Петера Ріттера фон Ріттінгера), присвячена досягненням у галузі теплонасосних та пов'язаних з ними технологій, зокрема опалення та кондиціонування повітря.

Останніми володарями цієї престижної премії є професор Королівського Інституту Технологій (Стокгольм, Швеція) Ерік Гренрід (Prof. Eric Granryd), професор Університету Іллінойс (США) Предраг Хнджак (Prof. Predrag S. Hrnjak) та доктор наук Джеральд Грофф (M. Sc. Gerald C. Groff), США, які були нагороджені на 9-й Конференції Міжнародної Енергетичної Агенції по тепловим насосам (International Energy Agency Heat Pump Conference), яка проходила 20-22 травня 2008 року у Цюріху (Швейцарія). Наступна Міжнародна конференція по тепловим насосам відбудеться у червні 2011 року у Токіо, Японія.

Але практичного застосування тепловий насос набув значно пізніше, а саме у 40-х роках ХХ століття, коли винахідник-ентузіаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) експериментував з морозильною камерою. Після зниження температури в камері він доторкнувся до труби на виході і майже обпік долоню. Вебер зрозумів, що тепло просто викидається назовні, тому він помістив вихідну трубу своєї морозильної камери (точка нагріву) в бойлер і забезпечив свою родину більш гарячою водою, ніж вони зазвичай використовували!

Але все ж залишалося тепло, що втрачалося, тому він вирішив проганяти гарячу воду по спіралі (через змійовик) і за допомогою невеликого вентилятора розповсюджувати тепло по будинку з метою економії вугілля. Містер Вебер був настільки задоволений результатом, що вирішив збудувати повноцінний тепловий насос для комфортного опалення всього будинку. У Вебера також з'явилась ідея "викачувати" тепло із землі, де температура не надто змінювалась протягом року. Він помістив у грунт мідні труби, по яким циркулював фреон, що "збирав" тепло землі.

Газ конденсувався, віддаючи своє тепло у домі, та знов проходив через змійовик, щоб підібрати наступну порцію тепла. Повітря приводилося в рух за допомогою вентилятора і розповсюджувалось по будинку. Наступного року містер Вебер продав свою стару вугільну піч. У 40-х роках тепловий насос був відомим через свою надзвичайну ефективність, але реальна потреба у ньому виникла за часів Арабського нафтового ембарго у 70-х роках, коли з'явився інтерес до енергозбереження, незважаючи на низькі ціни на енергоносії.

Саме тоді доктор Джеймс Бозе, професор Університету штату Оклахома, випадково наткнувся на старий інженерний текст про концепцію теплових насосів. Доктор Бозе вирішив допомогти власникам будинків, чиї теплові насоси викидали гарячу воду у басейн, і пристосував тепловий насос для циркуляції води по трубам замість скидання у басейн. Це поклало початок новій ері у галузі геотермальних систем. Доктор Бозе повернувся до Університету і почав розвивати свою ідею. З того часу Університет штату Оклахома став центром дослідження та розвитку геотермальних теплових насосів.

Міжнародна Асоціація геотермальних теплових насосів була заснована в Оклахомі і базується в корпусі державного Університету штату Оклахома, в якій доктор Бозе є виконавчим директором.

Тепловий насос складається з:

ь Теплообмінник передачі тепла навколишнього середовища внутрішньому контуру

ь Компресор

ь теплообмінник передачі тепла внутрішнього контуру системі опалення

ь Дросельний пристрій для зниження тиску

ь Контур розсолу і земляний зонд

ь Контур опалення та гарячого водопостачання

З тепловими насосами кожен з нас знайомий з самого дитинства. Це звичайний побутовий холодильник. Холодильник переносить тепло з внутрішньої камери на радіатор і ми користуємося холодом всередині холодильника. Тепловий насос - це холодильник "навпаки". Він переносить розсіяне тепло з навколишнього середовища в наш будинок.

Технічні подробиці роботи теплових насосів:

Принцип роботи основного елементу теплового насоса - фреонового компресора відображений в циклі Карно, опублікованому в 1824 р. Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін в 1852 р. під назвою "помножувач тепла".

1. Розсіл циркулює в колекторі і поглинає теплову енергію із землі, повітря або води.

2. Тепловий насос має теплообмінний елемент, званий випарником. Теплова енергія в ньому переходить від розсолу до хладагенту (при випаровуванні речовина поглинає тепло). Ця речовина має низьку температуру кипіння, що примушує його скипіти і перетворитися на газ.

3. Тиск хладагента збільшується за допомогою компресора, що приводить до збільшення його температури.

4. У конденсаторі хладагент передає теплову енергію в опалювальну систему будинку (при конденсації речовина віддає тепло).

5. Додатковий охолоджувальний елемент відбирає залишкову теплову енергію, і хладагент переходить в рідкий стан.

6. У розширювальному вентилі тиск падає.

7. Хладагент повертається у випарник, і процес починається спочатку.

Розрахунок горизонтального колектора теплових насосів:

Ефективність роботи теплового насосу характеризується коефіцієнтом перетворення теплоти, або опалювальним коефіцієнтом

де: q2 - кількість теплоти, яка відбирається від джерела тепла (річки);

q 0 - кількість теплоти, яку віддає робочому тілу теплового насоса компресор;

q 1 - кількість теплоти, яку віддає робоче тіло насоса радіатору.

В холодильній техніці відношення

e = q2 / q0 = Т2 / (Т1 - Т2)

називають холодильним коефіцієнтом, де Т 1 - температура радіатора в градусах Кельвіна, а Т 2 - температура низькопотенціального джерела тепла.З урахуванням холодильного коефіцієнта отримаємо ще одну формулу для опалювального коефіцієнта - К оп = e + 1

Сьогодні теплові насоси випускаються на теплову потужність від 2 кВт до 20 МВт

Відбір тепла:

сухий пісок - 10 Вт/м

суха глина - 20 Вт/м

волога глина - 25 Вт/м

Розрахунок зонда

При використанні вертикальних свердловин глибиною від 20 до 100 м в них занурюються U-образные металлопластиковые або пластикові (при діаметрах вище 32 мм) труби. Як правило, в одну свердловину вставляється дві петлі, після чого вона заливається цементним розчином. В середньому питомий теплосъем такого зонда можна прийняти рівним 50 Вт/м. Можна також орієнтуватися на наступні дані по теплозбіру:

сухі осадкові породи - 20 Вт/м;

кам'янистий грунт і насичені водою осадкові породи - 50 Вт/м;

кам'яні породи з високою теплопровідністю - 70 Вт/м;

підземні води - 80 Вт/м.

Температура грунту на глибині більше 15 м постійна і складає приблизно +10 °С. Відстань між свердловинами має бути більше 5 м.

Види горизонтальних ґрунтових коллекторів

а - колектор з послідовно сполученими трубами;

б - колектор з паралельно сполученими трубами;

в - горизонтальний колектор, укладений в траншеї;

г - колектор у форме петлі;

д - колектор у формі спіралі, розташованої горизонтально ("slinky" колектор);

е - колектор у формі спіралі, розташованої вертикально

Геотермальне джерело з вертикальним коллектором

Вертикальний колектор

4 Глибина свердловин 50...70 м

4 Потужність однієї свердловини - 3...5 кВт

4 Високий ККД Теплового насосу

Одна система, много возможностей.

Живете ли вы на севере или на юге, система тепловых насосов - простое решение для создания комфорта в вашем доме. Один насос может обеспечить независимо от условий климата:

· нагрев и охлаждение воздуха;

· вентиляция;

· теплый пол;

· горячую воду;

· нагрев бассейна.

Из-за небольших размеров и простоты теплового насоса система удобна, надежна и проста в использовании.

Основні переваги теплового насосу:

— Ефективність

— Автономність

— Універсальність

— Гнучкість

— Надійність

— Безпека

— Комфорт та якість

— Екологічність

Переваги теплових насосів

Економічність. Тепловий насос використовує електричну енергію на багато ефективніше будь-яких котлів, які спалюють паливо. Коефіцієнт ефективності теплових насосів на багато більше одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють за умовною величиною -- коефіцієнтом перетворення тепла (КПТ), також це поняття називається коефіцієнтом трансформації тепла, потужності, перетворення температур. Він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Приміром, КПТ = 4,5 означає, що номінальна (споживана) потужність теплового насоса становить 1 кВт, на виході ми одержимо 4,5 кВт теплової потужності, тобто 3,5 кВт тепла ми одержуємо із природи;

Широкий спектр застосування. На нашій планеті існує безліч розсіяного тепла. Земля й повітря є скрізь, також більшість людей не мають проблем з водою. Саме вони містять в собі теплову енергію, отриману від сонця. Теплові насоси незалежно від погодних умов, падіння тиску в газовій трубі зберуть це тепло для вас. Усе що потрібно для цього -- електрична енергія. Але якщо її немає, це теж не проблема -- деякі моделі теплових насосів можуть використовувати дизельне паливо або бензин для своєї роботи; опалення кондиціювання карно колектор

Екологічність. Тепловий насос не тільки заощаджує гроші, але й береже здоров'я власникам будинку та їх дітям. Прилад не спалює паливо, виходить, не утворюються шкідливі окиси типу CO, СO2, NОх, SO2 , PbО2. Тому навколо будинку на ґрунті немає слідів сірчаної, азотистої, фосфорної кислот і бензольних з'єднань. Та й для нашої планети застосування теплових насосів безсумнівне благо. Адже на ТЕЦ скорочується витрата газу або вугілля на виробництво електрики. Застосовувані ж у теплових насосах хладони не містять хлоруглеродів і озонобезпечні;

Універсальність. Теплові насоси, обладнані реверсивним клапаном, працюють як на опалення, так і на охолодження. Теплонасос може відбирати тепло з повітря будинку, прохолоджуючи його. Влітку надлишкове тепло можна використовувати для підігріву побутової води або для басейну;

Безпека. Теплові насоси Атмосистеми вибухово- і пожежобезпечні. У процесі опалення відсутні небезпечні гази, відкритий вогонь або шкідливі суміші. Деталі теплонасоса не нагріваються до високих температур, здатних стати причиною пожежі. Зупинка теплового насоса не приведе до його поломки, ним можна сміло користуватися після тривалого простою. Також виключене замерзання рідин у компресорі або інших складових частинах.

Размещено на Allbest.ru