|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи № 51-100---->
СХЕМЫ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ статьи №101-150
Дома можно отапливать холодом.
О. БОГАЕВСКИЙ инженер
г. Свердловск
Наверное, многим покажется странным, если мы скажем, что дома жителей деревни, поселка или города, расположенных на берегу большой реки, озера или моря, зимой можно отапливать за счет тепла указанных водоемов. Действительно, как можно нагреть помещение, скажем, до 20 град. водой реки или озера, температура которой не превышает 2—4°?
Но ничего неправдоподобного в этом нет. Хотя из физики известно, что передача тепла от
холодного тела горячему невозможна,— такой процесс считают противоестественным, — однако в той же физике говорится о том, что можно всегда осуществить противоестественный процесс ценою естественного. Что это значит?
Известно, что механическая энергия, например, свободно переходит в тепловую. Это естественный процесс природы. Остановившийся поезд, исчезнувший звук, стихнувший ветер — все это случаи превращения механической энергии в теплоту.
Известно также, что после сильного шторма вода в море несколько нагревается. Обратно же теплота в работу сама по себе не переходит — это противоестественно. Для этого требуются специальные устройства, то есть машины, в которых получение работы из тепловой энергии покупается ценою перехода известного количества тепла с горячего тела на холодное.
Говорят, что кпд паровой турбины равен 25%. Это значит, что из 100% тепла только четвертая часть его создает работу, а три четверти расходуются на бесполезный подогрев окружающей среды.
Можно ли уменьшить эту жертву природе? Да, можно! И к этому постоянно стремятся наши энергетики. Кпд тепловой машины будет тем больше, чем выше температура греющего источника и ниже температура окружающей среды. Например, у паровой турбины, работающей на температурном перепаде от 300 до 30°, предельный кпд равен 47%, а при температурном перепаде от 500 до 30° — уже 61%. Вот почему сейчас в теплоэнергетике ведется упорная борьба за освоение турбин сверхвысоких параметров, в которых температура пара достигает 550 — 600°.
Итак, для того чтобы провести неестественный процесс, скажем — получить работу из теплоты, нужна машина и определенная жертва природе в виде естественного процесса, то есть в случае тепловых двигателей перевод известного количества тепла с горячего источника на холодный. Переход тепла с холодного тела на горячее также является неестественным процессом, а потому и для него потребуется машина и компенсация в виде какого-то естественного процесса.
Существует несколько способов перевода тепла с холодного тела на горячее. Мы же рассмотрим только один, наиболее распространенный из них, - компрессионный.
Как в теплосиловой установке турбина превращает тепло в работу, точно так же и тепловом насосе компрессор переводит тепло с холодного тела на горячее. Если в паровой турбине рабочим телом является водяной пар, в газовой турбине или дизеле — смесь воздуха с продуктами горения топлива, то в тепловом насосе чаще всего рабочим телом служит аммиак или смесь его с водой. Основными элементами паротурбинной установки являются турбина, котел и конденсатор. А в тепловом насосе основными элементами являются тоже котел и конденсатор, а вместо турбины — компрессор.
В паротурбинной установке котел обогревается топочными газами. В тепловом же насосе котел обогревается теплом водоема. И разница между ними только в температуре. Если в котле паровой турбины водяной пар нагревается до 300 и более градусов, то в котле теплового насоса пары аммиака нагреваются всего лишь до 2 — 4°. В паротурбинной установке отработанный пар отдает свое тепло воде в конденсаторе, в тепловом же насосе пары аммиака также в конденсаторе отдают свое тепло отапливаемому помещению.
Да, но отапливаемому помещению нужно отдавать тепло при температуре по крайней мере не ниже 20°, а в котле аммиак нагрелся всего лишь до 2 — 4°. За счет чего же поднялась температура аммиака в конденсаторе? Оказывается, этот нагрев сделал компрессор. Известно, что при сжатии пара температура его возрастает.
Но для того, чтобы сжать пар, потребуется затратить работу. Значит, работа компрессора как раз и является той данью природе, за счет которой и покупается противоестественный процесс—переход тепла из холодного водоема в теплое помещение.
Но, может быть, затраты работы на компрессор будут так велики, что, как говорится, «овчинка не стоит выделки»? Ответ на этот вопрос может дать только расчет. Рассмотрим же еще раз, но более подробно, работу теплового насоса, принципиальная схема которого приведена на цветной вкладке.
Пары аммиака в котле, нагревшись примерно до температуры водоема, то есть до 2 — 4°С , и имея сравнительно небольшое давление, засасываются компрессором и сжимаются им до такого нового давления, при котором температура их становится выше температуры отапливаемого помещения. Естественно, при этом компрессор расходует известное количество механической энергии. Сжатые и нагретые пары аммиака из компрессора поступают в конденсатор, где они, отдав часть своего тепла на обогрев помещения, охлаждаются и конденсируются. Через специальный дроссельный вентиль жидкий аммиак из конденсатора вследствие разности давлений переходит в котел. Здесь он испаряется и, естественно, охлаждается; причем температура его становится ниже той, с какой он ранее засасывался компрессором, так как в конденсаторе он потерял часть своего тепла, ушедшего на обогрев помещения. Далее, снова подогревшись эа счет тепла водоема до температуры 2 — 4°, пары аммиака опять поступают в компрессор, который, сжав их, передает в конденсатор. Таким образом, затрачивая работу на компрессор, мы непрерывно будем переводить тепло из холодного водоема в теплое помещение.
В промышленности тепловой насос также может найти себе широкое применение, особенно в тех случаях, когда требуются небольшие изменения температур. Кстати сказать, тепловой насос уже вошел в химическую и пищевую промышленность, где он применяется при выпаривании и дистилляции растворов.
В заключение надо сказать, что описанная схема аммиачного компрессорного теплового насоса является не единственной и, кроме того, носит, так сказать, академический характер. Техническая схема теплового насоса будет сложней. Для техники, кроме экономичности, нужно еще, чтобы машина была простой, надежной, компактной, дешевой, долговечной и пр.
Важной технической характеристикой теплового насоса является величина его удельной тепловой мощности, то есть отношение количества передаваемого насосом тепла от холодного источника к горячему — к весу рабочего тела. Очевидно, чем больше удельная тепловая мощность, тем насос компактнее и дешевле. Существенное увеличение тепловой мощности в аммиачном компрессионном тепловом насосе можно получить, если в компрессор будет поступать сухой пар аммиака, а само сжатие будет происходить уже в области перегретого пара.
Для того чтобы тепловой насос наиболее полно удовлетворял требованиям современной техники, нужно умело выбрать вещество для рабочего пара, то есть не обязательно аммиак, а также выгодно построить его рабочий цикл, руководствуясь при этом в основном экономичностью и величиной удельной тепловой мощности.
При техническом решении теплового насоса встретятся, конечно, и конструктивные трудности, а также трудности, связанные с выбором рабочего материала. Но все эти трудности принципиально разрешимы. Более того, для их решения имеются ясно очерченные пути. Все это дает уверенность в том, что не за горами то время, когда тепловые насосы прочно войдут в наш быт и в нашу промышленность, как вошли в них паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, холодильные установки и пр. Для теплоэнергетиков открывается широкое и интересное поле деятельности!
Неисчерпаемый источник тепла.
Н. ЗИНГЕР,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Всесоюзного теплотехнического института
Идея применения тепловых насосов не нова. Еще в 1920 году русский физик профессор В. А. Михельсон разработал «Проект динамического отопления», в котором подробно рассматривалась техника использования тепла низкого потенциала для теплоснабжения.
Первые опыты по использованию тепловых насосов относятся к 1924 году. Для теплового насоса требуется такое же оборудование, как и для обычной холодильной установки. Благодаря этому холодильная установка, которая летом служит для охлаждения воздуха в системе его кондиционирования, зимой может быть использована в качестве теплового насоса для отопления здания. Несколько десятков таких установок в период с 1930 по 1940 год были сооружены в США. Источником тепла низкого потенциала в этих установках являлись артезианская вода, вода от городского водопровода, наружный воздух.
Широко распростраюяться тепловые насосы начали после значительного усовершенствования оборудования холодильных установок и снижения стоимости электроэнергии. Особенно широкое распространение они получили в Швейцарии, Англии и США, где число их достигает нескольких тысяч.
Основным показателем экономичности работы теплового насоса является отношение количества полезно использованного тепла к тепловому эквиваленту электрической энергии, затраченной на работу компрессора. Это отношение называют обычно отопительным коэффициентом, или коэффициентом преобразования теплового насоса "Мю" Очевидно, что чем выше значение коэффициента преобразования, тем более экономичной может быть работа теплового насоса.
Предельное значение коэффициента трансформации теплового насоса "Мю"ид, который может быть получен при заданной температуре «горячего» источника Т1 (Т1 — температура, отсчитанная от абсолютного нуля температур. Эта температура равна (t1 +273°, где t1— температура «горячего» источника, выраженная в градусах Цельсия) и заданной температуре «холодного» источника То, определяется по формуле:
Это значение может быть получено в «идеальном» процессе, в котором не учитываются неизбежные потери в компрессоре, двигателе, теллообменных аппаратах, тепловых сетях. Действительные значения коэффициентов трансформации составляют примерно 50—60% от максимальных значений. Как видно из приведенного выражения, значение коэффициента трансформации резко возрастает при снижении разности температур между «горячим» и «холодным» источниками. Например, если температура воды в реке 4°С, а температура воды, которая должна быть подана в систему отопления, 95°С, то идеальный коэффициент трансформации равен 4, а действительный 2—2,5. Это значит, что на каждую единицу энергии, затраченную в виде механической работы в компрессоре, будет полезно использовано для отопления 2—2,5 единицы энергии в виде тепла. Или, затратив 1 квт-ч электроэнергии в компрессоре, можно получить около 2 тыс. больших калорий тепла. Если же этот киловатт-час электроэнергии использовать непосредственно для отопления, например, в электроплитке, то мы получим только 860 больших калорий тепла.
Если имеется источник тепла с температурой, скажем, 25°С, а система отопления допускает применение воды с температурой 50—60°С (например, панельная система отопления), то действительный коэффициент трансформации повышается до 6, то есть, затратив 1 квт-ч электроэнергии в компрессоре, можно получить более 5 000 больших калорий тепла для отопления.
Таким образом, с технической стороны применение тепловых насосов не вызывает каких-либо существенных затруднений. Целесообразность же их применения должна определяться технико-экономическим сравнением различных вариантов теплоснабжения.
Тепловые насосы, как правило, могут успешно конкурировать с электрическим отоплением. Как показали сравнительные расчеты, для обычных условий отопление с помощью тепловых насосов примерно равноценно отоплению от местных котельных, но значительно уступает системам теплофикации.
Начальные затраты на установку теплового насоса значительно превышают стоимость сооружения котельной.
И все же в ряде случаев установка теплового насоса оказывается экономически вполне целесообразной. Например, была установлена целесообразность сооружения теплонасосной установки в Цхалтубо, где в качестве «холодного» источника может быть применена использованная лечебная вода с температурой 30°С; причем благодаря мягкой зиме (средняя температура января +4,5 град) температура воды, требующейся для отопления, невысока. Эти условия обеспечивают высокий коэффициент трансформации.
В летнее время такая теплонасосная установка может быть использована для кондиционирования воздуха, которое необходимо из-за высокой температуры и влажности воздуха.
Следует сказать, что вопрос о практическом применении тепловых насосов все еще остается одной из нерешенных проблем современной науки и техники. Успешное же решение этой важной проблемы откроет новые неисчерпаемые источники тепла, которые могут быть использованы на благо всего человечества.
Техника молодёжи 1958 год
|
