Основные принципиальные условия работы и устройство тепловых насосов

На сегодняшний день инженеры теплотехники используют более двух десятков различных типов тепловых генераторов для отопления зданий. Наибольшее распространение получили газовые и электрические установки, а также агрегаты, сжигающие уголь и биомассу. Но также следует отметить, что в последние годы значительно увеличилась доля теплового оборудования, которое использует в качестве источника тепла альтернативные виды топлива. Большинство специалистов склоняются к мнению, что самым перспективным оборудованием для получения тепла в ближайшее время будут тепловые насосы (иногда в тесте будут сокращения ТН или английский аналог heat pump). В Украине данная, технология до сих пор мало известна широкому кругу потребителей, но на самом деле данная разработка была описана ещё 100 лет назад физиком британского происхождения Вильямом Томсоном ( известного также, как лорд Кельвин).

В далёком  1855 году, австрийский поданный,  на то время малоизвестный инженер Петер Фон Риттинген изобрёл первый в мире образец теплового насоса. Однако, массово насосы тепловые для отопления зданий начали использовать практически сто лет спустя в 60-70-х годах двадцатого века. Европейским родоначальником и пионером использования данной технологии считается немец Клеменс Ватеркотте, изготовивший и установивший первый в Германии насос с геотермальным принципом работы.

Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос – агрегат, способствующий передачи тепловой энергии от низкотемпературного источника (такого как, окружающий воздух, грунт, вода) к непосредственному потребителю с большей температурой. Работа heat pump заключается в использовании внешних источников энергии: механических, электрических и химических.

Основными разновидностями ТН, на сегодняшнем рынке теплотехнического оборудования Киева и Украины являются, парокомпрессионные установки. 99 процентов бытовых машин используют данный принцип работы, и он основан на главном постулате термодинамике, а именно цикле Карно, который в свою очередь является единственным оборотным циклом, происходящем в замкнутой системе. Его уникальность в том, что он протекает в двух направлениях: прямом и обратном.  Это даёт возможность насосам теплового принципа работать, как тепловой генератор и как кондиционер, соответственно сочетать в себе одновременно две функции отопления и охлаждения. Насосы парокомпрессионные применяют механическую энергию и используют электрическую энергию как источник питания.

Основные компоненты теплового парокомпрессионного насоса, который использует в качестве источника получения тепловой энергии окружающую среду:

  • компрессор – сердце установки
  • дроссельный клапан
  • испаритель - наружный контур насоса
  • конденсатор

В закрытый и герметичный контур теплового агрегата закачан хладагент (рабочее тело), как правило применяют фреоны, без содержания хлора и которые относятся к разряду безопасных для озонового слоя земли. Работа теплового насоса основывается на передаче температуры фреоном, в следствии увеличения давления и изменения состояния рабочего тела – из газообразного состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, с помощью механического воздействия, а именно дополнительного сжатия.
тепловой насос

Когда фреон (хладагент) находиться в наружном контуре он способен закипать даже при температуре – 40 °С, это даёт возможность отбирать тепло у тел с низкой температурой: воздух, вода, почва. Затем парообразный фреон попадает в компрессор, тут его сжимают под воздействием механической силы, соответственно резко повышается его температура. Далее сжатый и разогретый хладагент перемещается на конденсатор (теплообменник), там происходит переход из парообразного состояния в жидкое и при этом выделяется большое количество тепла, которое в свою очередь передаётся в систему отопления. По-простому наш фреон отдаёт тепло воде, которая циркулирует в наших батареях.

Но это ещё не всё, после теплообменника-конденсатора, уже остывший фреон движется через дроссельный клапан, его задача снизить давление в жидкости и дополнительно уменьшить температуру. После этого весь цикл закончен, и хладагент вновь возвращается на испаритель, чтобы закипеть и отобрать тепло. Следствием данного процесса стало то, что производительная мощность теплового насоса на 80% состоит из энергии способной возобновляться за счёт окружающей среды и лишь 20% этой энергии расходуется в процессе работы самого теплогенерирующего насоса. Всё чаще, геотермальные и воздушные насосы обеспечивают отопление и горячее водоснабжение в современных домах и зданиях. Если же предусмотреть в отопительном контуре насоса реверсивный клапан, - это позволит тепловому насосу работать в реверсном режиме, то есть осуществлять подачу холода в помещение.

Компрессор – сердце любого теплового насоса, от него в основном зависят технические параметры агрегата. Различают следующие компрессоры, для парокомпрессионных ТН:

  1. роторные компрессоры, используют для аппаратов малой мощности. Современные тепловые насосы, использующие воздух в качестве источника тепла, комплектуются, как правило двух роторными компрессорами, так как они характеризуются длительным сроком эксплуатации, а также повышенной надёжностью. Конструкция с двумя роторами, может работать на низких скоростях вращения, такая способность уменьшает количество циклов пусков и остановки, тем самым увеличивая эффективность тепловых насосов. Применение двух роторов, снижает вибрацию и шум работы установки в несколько раз.
  2. спиральные компрессоры, в основном используются в комплектации heat pump малой и средней мощности. Считается, что преимуществом таких компрессоров, является высокая продуктивность, практически бесшумная работа, долговечность в паре с высокой эксплуатационной надёжностью (минимальное число движущихся деталей.

тепловой насос

Использование инверторной автоматики в паре со спиральным компрессором, гарантирует высокую и эффективную работу во всех диапазонах мощностей. Очень часто для комплектации тепловых насосов со спиральным компрессором, используют тандем компрессоров, что способствует получению высокой эффективности при изменении тепловой нагрузки в системе отопления, тем самым ТН максимально приспосабливается к экстремальным условиям эксплуатации.

  1. поршневыми компрессорами, комплектуют насосы тепловые средней и большой мощности
  2. винтовые компрессоры, в основном применяют для тепловых геотермальных насосов мощностью от 500 до 1000 кВт.