СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Приоритетным направлением развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, является проектирование новых или реконструкция старых объектов с использованием энергосберегающих технологий. Таким образом, создание энергоэффективных систем является актуальной задачей. В России, по сравнению с западными странами, применяют гораздо меньше технологий с использованием низкопотенциального источника энергии. Одним из способов экономии невозобновляемых источников энергии является теплонасосные установки, которые способны отдавать и поглощать теплоту рабочего агента («хдадагента») в цикле при периодическом переходе его из одного состояния в другое [5].

Для выбора наиболее подходящей конструкции теплового насоса воспользуемся методами структурного анализа. Суть этого метода заключается в построении системы взаимосвязей между элементами исследуемого объекта на различных уровнях его организации. Достоинством этой схемы анализа является наглядность представления в графическом виде.

Для того чтобы иметь общее представление о тепловых насосах и его структурных деталях, уметь проанализировать функциональные возможности, необходимо в первую очередь составить структурную модель ТН.

Структурная модель ТН декомпозирует на такие составляющие как: устройство для приема тепла от источника низкопотенциальной энергии, схема использования низкопотенциальной теплоты в ТН, устройство передачи тепла потребителю, устройство для изменения параметров хладагента (рабочего тела), источники для передачи низкопотенциального тепла к потребителю.

Основными механическими элементами теплового насоса являются: испаритель, компрессор, конденсатор, дроссельный вентиль, промежуточный теплообменник, переохладитель, абсорбер, насос, генератор пара, редукционный вентиль. Более подробное представление о ТН показано в структурной модели (рис. 1), в которой дается общее представление о ТН, отражается взаимосвязь всех элементов.

Структурная схема выполнена не для конкретного вида теплового насоса, она дает общее представление для различных схем. Например, такие элементы как абсорбер и генератор пара свойственны только абсорбционному ТН.

Рисунок 1. Структурная модель теплового насоса

Рассмотрим более подробно структурную модель теплового насоса (рис. 1).

Устройство для приема тепла от источника низкопотенциальной энергии подразделяется на такие элементы как: корпус, трубы и хладагент (органическое вещество, состоящее из атомов углерода C, водорода H, фтора F и брома Br) или рабочее тело. Последний в свою очередь делится на: озоноактивные (R11, R21, R113, R114 и др.), экологически безопасные вещества (R600, R600a, R601a и др.) и вещества с большим потенциалом глобального потепления (R236fa, R245fa, R318 и др.). При утечке хладагента из теплового насоса, он поднимается в атмосферу на высоту более 15 км и под действием ультрафиолетового излучения разлагается. Далее фреон взаимодействует с озоном, что, по мнению некоторых ученых, приводит к разрушению озонового слоя Земли. Также стоит отметить, что цена теплообменников и компрессора зависит от хладопроизводительности фреона, чем этот показатель выше, тем ниже будет расход фреона, а, следовательно, и стоимость ТН.

Выбор схемы использования низкопотенциальной теплоты (НТ) зависит от типа источника энергии. Если сточные воды выступают в роли источника НТ, то следует применить закрытую схему, в которой промежуточный теплоноситель (вода t 10…17ºC) прокачивается через замкнутый контур, расположенный, например, в водосточном коллекторе.

К устройствам, которые передают тепло к потребителю можно отнести: хладагент, насос, трубы и отопительные приборы (радиаторы, конвекторы, теплые полы). В сравнительной таблице «Оценка коэффициента преобразования теплоты для различных способов использования теплового насоса» [5] для системы сточных вод можно увидеть, что чем ближе температура низкотемпературного источника к необходимой температуре теплоносителя (напольное отопление, ГВС, радиаторное отопление), тем больше эффект от применения теплового насоса. Трубы, которые передают тепло можно подразделить по виду материала: полимерные, металлополимерные и металлические. Недостатком последних является коррозия, которая уменьшает срок эксплуатации в несколько раз. Металлополимерные трубы, по сравнению с полимерными обладают меньшим коэффициентом температурного расширения, оба вида этих труб имеют ряд преимуществ: стойкость перед коррозией, меньшая стоимость и вес и др.

Одним из элементов источника для передачи низкопотенциального тепла к потребителю является источник энергии для привода насоса. Он подразделяется на двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, паровые и газовые турбины.

Паровые (КПД до 80%) и газовые (КПД 65-87%) турбины обладают рядом недостатков: высокий уровень шума, низкая эффективность, длительный период запуска, высокая стоимость [11]. Электродвигатель менее эффективен, т.к. коэффициент удельных затрат первичной энергии на производство теплоты (ПЭ) примерно равен 3/m; при использовании привода с дизелем – 2,6/m.

Проанализировав тепловой насос с помощью структурной модели, можно выбрать наиболее оптимальный вариант, который будет применен в системе сточных вод.

Список литературы:

1. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным вилам топлива (показатели по территориям) / П.П. Безруких [и др.]; под ред. д.т.н. П.П. Безруких. – Институт энергетической стратегии – М.: – «ИАЦ Энергия» – 2007. – 272 с.
2. Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»: URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978/ (дата обращения: 16.09.2019).
3. Указ Президента Российской Федерации от 04.06.2008 № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»: URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_112413/ (дата обращения: 16.09.2019).
4. Постановление Правительства Российской Федерации от 25.01.2011 № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов»: URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_109801/ (дата обращения: 16.09.2019).
5. Трубаев П.А., Гришко Б.М. Тепловые насосы: Учеб. пособие. – Белгород: БГТУ им.Шухова, 2009. – 142 с.
6. Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирова-ния, научное обоснование решений. – М.: Мир, 1973. – 263 с.
7. Пер. с анг. тепловые насосы. –М.: Энергоиздат, 1982 – 224 с.
8. Газификация регионов России: URL: https://www.gazprom.ru/ (дата обращения: 16.10.2019).
9. Пушкарев И.А. Структурная и функциональная модели теплового насоса // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. – Новосибирск: ООО Центр развития научного сотрудничества. – Ч.4. – С 186-191.
10. Пушкарев И.А. Функционально–структурная модель теплоснабжения зданий при использовании теплового насоса // Наука. Технологии. Инновации: Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 11 ч. (2-6 декабря 2014 г., Новосибирск). – Новосибирск: НГТУ, 2014. – Ч.5. – С.45-47.
11. Манохин П.Е., Крюкова А.Р. Структурная модель использования теплового насоса на сбросных водах АЭС // Фотинские чтения. – Ижевск: Частное образовательное учреждение высшего образования «Восточно-Европейский институт», 2017. – Ч.1(7). – С149 –153.