Юрий Почанин - Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

Недостатки вихревых тепловых насосов. К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука – такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора – устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал – не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов. Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах – ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов. Почему же тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева. Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых – обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов. В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела – перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких – будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Схематично тепло насосную установку можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды, во втором – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту тепло датчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику, в третьем- теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения, рис.9.

Рис.9 Контуры теплонасосной установки

Основными элементами теплового насоса являются: испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует хладагент – вещество, способное кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла на жидкое – в другой.

1 .Хладагент . Эти жидкости еще называют: хладонами, фреонами, хладагентами. Они обеспечивают стабильную работу и высокую эффективность теплового насоса, но могут создать экологические проблемы в связи с содержанием вредных веществ при изношенности оборудования или при аварийной ситуации. Принято делить периоды использования некоторых групп рабочих жидкостей на четыре поколения.

Первое поколение характеризуется первоначальными попытками человека создавать новые виды холодильных машин. В процессе поиска оптимума используется все, что попадается под руку, в том числе опасные вещества (токсичные, взрывоопасные, горючие).

Второе поколение рабочих жидкостей представляет собой фреоны (углеводороды с галогена замещенными атомами водорода). Временной отрезок хладагентов второго поколения приходится на 1930-1990-е годы, который иногда называют эрой фреонов. Ключевыми показателями фреонов становятся энергоэффективность и безопасность для человека (в отличие от агентов первого поколения).

Дальнейшее развитие стремительно форсируется открытиями озонового слоя и эффектами его разрушения. Все фреоны, содержащие хлор (основной разрушитель озона) объявляются вне закона, и начинается срочный поиск альтернатив. Типичным представителем синтетических хладагентов третьего поколения является озон безопасный R134a (который, однако, утепляет окружающую среду). Внедрение хладагентов четвертого поколения (с 2010 года) связано с необходимостью не только защитить озоновый слой, но и минимизировать эффекты глобального потепления, за которые ответственны холодильные агенты. Наиболее известным представителем хладагентов четвертого поколения является R1234yf (Opteon™ yf), представляющий собой гидрофторолефин.

Решения Монреальского протокола коренным образом изменили подход к традиционным озон разрушающим хладагентам, и начиная с 90-х годов на одно из первых мест вышел вопрос об опасности изменения климата и сохранения эмиссии парниковых газов, вызванной применением таких хладагентов. По степени озон разрушающей активности озонового слоя Земли галоидопроизводные углеводороды разделены на три группы:

1.хладагентами, с высокой озон разрушающей активностью, являются хлорфторуглероды (ХФУ) R11, R12, R13, R113, R114, R115, R502, R503, R12B1, R13B1 (или по международному обозначению CFC11, CFC12, CFC13 и т. д.) и др.;

2. хладагенты с низкой озон разрушающей активностью- гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) R21, R22, R141b, R142b, R123, R124 (или по международному обозначению HCFC21, HCFC22, HCFC141b и т. д.) и др., в молекулах которых содержится водород. Для этих веществ характерно меньшее время существования в атмосфере по сравнению с ХФУ, и, как следствие, они оказывают меньшее влияние на разрушение озонового слоя. Ряд многокомпонентных рабочих тел, предлагаемых в качестве альтернативы ХФУ, содержат в своем составе ГХФУ, например R22;