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

В качестве альтернативы запрещенным к производству хладагентам Монреальским протоколом рассматриваются следующие классы веществ: гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ) и природные хладагенты - аммиак, диоксид углерода, вода, углеводороды.

Традиционно, наиболее распространенные рабочие жидкости для тепловых насосов являются: R12 (хлорфторуглерод CFC-12) малая и средняя температуры (макс. 80°C); R114 (хлорфторуглерод CFC-114), высокая температура (макс. 120°C); R500 (фреон R500) средняя температура (до 80° C); R502 (фреон R500,) низкая и средняя температуры (макс. 55°C); R22 (хлорфторуглеводород HCFC-22), применяется практически во всех обратимых и низкотемпературных тепловых насосах (макс. 55°C). CFC (хлорфторуглероды). В связи высокой химической активностью и содержанием в составе этих рабочих жидкостей хлора хлорфторуглероды (CFC) вредны для окружающей среды. Данные рабочие жидкости обладают высоким озон разрушающим потенциалом и способствуют глобальному потеплению. CFC относятся к группе запрещенных хладагентов. Так же тепловые насосы должны обладать высокой энергетической эффективностью, что бы тепловые насосные системы оставались интересны с точки зрения энергосберегающей альтернативы традиционным видам получения энергии. В дополнении к поиску экологически чистых рабочих жидкостей важна модернизация и усовершенствование самих тепловых насосов. Поскольку эффективность тепловой насосной системы больше зависит от конструкции самого теплового насоса и системы распределения энергии, чем от рабочей жидкости, используемой в контуре сжатия.

HCFC (гидрохлорфторуглероды) так же содержат в своем составе хлор, но имеют гораздо более низкий потенциал разрушения озонового слоя чем CFC, около 2-5% от показателей R12. Так же у HCFC в пять раз ниже потенциал способствующего глобальному потеплению. Хладагенты группы HCFC являются, так называемыми переходными рабочими жидкостями. Они предназначены только для модернизации теплонасных систем.

Тепловые насосы заполняются различными безопасными хладагентами. В таблице 2 приведены характеристики хладагента R407C.

Таблица 2 Характеристики хладоагента R407C.

Если тепло отводится водой или воздухом, то различные хладагенты позволяют достичь следующих температур:

R717около+50°С, R502 около+50°С, R22 около+53°С, R134a около+72°С, R142 около+100 °С.

2. Высокопроизводительный испаритель. Испаритель как конструктивный элемент представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар под низким давлением направляется в сторону компрессора. Для передачи тепла применяется пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали, состоящий из множества наслоенных друг на друга и спаенных металлических пластин. Благодаря большой поверхности теплообменника и незначительной вместимости имеющаяся тепловая энергия может быстро переноситься от источника тепла к хладагенту. Теплообменник работает по принципу противотока с целью оптимального использования энергии. Пластинчатый теплообменник имеет изоляцию, защищающую от накапливающегося конденсата.

Технология, равномерно распределяющая хладагент через специальную систему впрыскивания по всем пластинам, позволяет добиться существенно лучшего теплообмена и тем самым более высокого коэффициента полезного действия.

3.Компрессор. В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления, и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора. Обычно, в тепловых насосах используются объемные компрессоры, которые можно разделить на следующие типы: поршневые, роторные, спиральные и винтовые.

Компрессоры, в которых конечное давление перекачиваемой среды достигается в одном процессе сжатия, называются одноступенчатыми компрессорами. Соответственно компрессоры, в которых конечное давление достигается в нескольких последовательных процессах сжатия, между которыми охлаждается хладагент, называются многоступенчатыми компрессорами. Так же существует ряд других классификаций, однако мы рассмотрим 4 основных типа, перечисленных выше, которые чаще всего используются в тепловых насосах.

Поршневые компрессоры. В поршневых компрессорах процесс сжатия происходит в цилиндре, в котором поршень движется в возвратно-поступательном движении, рис.10.

Рис.10 Поршневой компрессор Bristol

Этот тип компрессоров обычно используется в тепловых насосах и холодильных машинах средней и большой мощности. Он применим как к тепловым насосам воздух-вода, так и к геотермальным тепловым насосам.

Преимущества - высокая эффективность, долговечность.

Недостатки - высокий уровень шума и вибраций, высокая стоимость

Роторные компрессоры. В этом типе компрессора процесс сжатия осуществляется с помощью вращающихся элементов, через которые газ протекает непрерывно. Самой распространённой конструкций применяемой в тепловых насосах является эксцентриковые роторные компрессоры с вращающимся поршнем, рис.11.

Рис. 11 Строение роторного компрессора

Усовершенствованная модель имеет два поршня на одном валу. Благодаря этому удалось достичь меньших показателей вибрации и более высокого КПД. Именно такая конструкция используется в большинстве тепловых насосов типа воздух-вода мощностью до 15 кВт как у европейских, так и у азиатских производителей.

Преимущества - компактность и лёгкость, низкий уровень шума, невысокая цена.

Недостатки - низкая надёжность, невысокий КПД.

Спиральные компрессоры. В компрессоре спирального типа сжатие рабочей среды происходит при взаимодействии двух спиралей, рис.12.

Рис. 12 Спиральный компрессор scroll Copeland

Наибольшее распространение в тепловых насосах получила технология Scroll в основу, которой положена конструкция из архимедовых спиралей и вала с эксцентриком, принцип сжатия в котором представлен на рис. 13.

Рис. 13 Принцип сжатия в спиральном компрессоре типа scroll

Как правило, такими компрессорами оснащают тепловые насосы типа грунт-вода или воздушные тепловые насосы средней мощности.

Преимущества - низкий уровень шума, высокая эффективность, долговечность.

Недостатки - высокая цена.

Винтовые компрессоры. Принцип работы компрессора данного типа на вращении двух роторов с винтами, рис14. Вращение происходит в различные стороны, за счет чего и происходит сжатие рабочей среды.

Рис.14 Строение винтового компрессора

Такие компрессоры чаще всего используются в теплонасосных установках большой мощности. Часто они применяются в многоступенчатых холодильных агрегатах.

Преимущества - высокая эффективность, надёжность

Недостатки - высокий уровень шумов, применимы только в установках большой мощности.

Область использования основных типов компрессоров для тепловых насосов представлена на рис. 15.

Рис. 15 Область использования основных типов компрессоров для тепловых насосов

Все вышеперечисленные компрессоры уже много лет успешно применяются в тепловых насосах различной мощности и назначения.

4.Предохранительный автомат мотора компрессора. Для внутреннего предохранения компрессор имеет предохранительный автомат мотора, который в качестве термо-предохранителя, защищает катушки мотора от перегрева. Он в случае нарушения самостоятельно отключает компрессор и после требующегося на охлаждение времени, примерно 15-30 мин, включает его.

5. Конденсатор. Конденсаторы в тепловом насосе служат для отвода теплоты при температуре, превышающей температуру окружающей среды или охлаждающего вещества. При этом хладагент переходит из парообразного состояния в жидкое, т.е. конденсируется. В качестве охлаждающих веществ для конденсаторов можно применять как жидкости (особенно воду), так и газы (особенно воздух). Тип охлаждающего вещества, воспринимающего теплоту конденсации, зависит в теплонасосном цикле от способа применения. Использование воздуха или других газов в качестве охлаждающих веществ для конденсаторов имеет смысл лишь тогда, когда газ, используемый для охлаждения, представляет собой вещество, к которому должна подводиться полезная теплота. При использовании жидкостей в качестве вещества, охлаждающего конденсатор, их функцией часто является лишь транспортировка полезной теплоты от конденсатора к месту ее потребления (промежуточные теплоносители).

В связи с большим различием в значениях коэффициентов теплообмена газов и жидкостей применяют различные конструкции конденсаторов с газовым и жидкостным охлаждением. Конденсаторы с жидкостным охлаждением по конструктивному решению подразделяются па кожухотрубные, двухтрубные (труба в трубе) и змеевиково-трубные специальной конструкции. Поскольку коэффициенты теплообмена коденсирующегося хладагента ниже коэффициента теплообмена потока жидкости или примерно равны, в качестве теплопередающего элемента также применяют гладкие трубы или трубы с увеличенной поверхностью (ребристые трубы) со стороны хладагента. Использование труб с увеличенной поверхностью со стороны жидкости имеет смысл в определенных условиях только при ее безнапорном движении.

Кожухотрубную конструкцию также наиболее часто применяют и в конденсаторах. При этом охлаждающее вещество пропускается внутри труб, а хладагент конденсируется на наружной стороне труб в межтрубном пространстве. Причем пар хладагента поступает в полость кожуха сверху, сконденсировавшийся хладагент удаляется снизу. Чтобы получить, возможно более высокий нагрев охлаждающего вещества, необходимо обеспечить его движение снизу вверх. Улучшенная реализация принципа противотока и более эффективное использование температуры перегретого пара хладагента, поступающего в конденсатор, могут быть достигнуты при применении так называемого элементного (миогосекциоиного) конденсатора, где несколько кожухотрубных теплообменников с относительно небольшим числом труб в каждом расположены друг над другом.

Двухтрубная конструкция. Преимущество двухтрубных теплообменников (труба в трубе) - создание полного противопотока обоих веществ. При этом благодаря использованию теплоты перегрева достигается более высокая температура теплоносителя на выходе. Такую конструкцию рекомендуется применять также при работе на неазеотропиых смесях в качестве хладагентов. Хладагент может подаваться как во внутреннюю трубу, так и в зазор между наружной и внутренней трубой (причем с целью повышения прочности, а для тепловых насосов и с целью повышения термодинамических характеристик, более целесообразно пропускать хладагент внутри труб).

Змеевиково-трубная конструкция. Поскольку коэффициенты теплообмена конденсирующего хладагента больше, чем от потока газа, в конденсаторах с воздушным охлаждением в качестве теплопередающего элемента всегда применяют трубы с увеличенной поверхностью (пластинчатые или ребристые трубы) со стороны газа. С целью достижения большей компактности аппарата и его удешевления осуществляется принудительное движение газа или воздуха через пучки пластинчатых или ребристых труб. Чаще всего применяют змеевиково-ребристые теплообменники. Размещение теплообменника и вентилятора, подающего воздух, в теплонасоспых установках зависит от условий применения.

6. Термостатный расширительный клапан (дроссел, детандер). Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. B расширительном клапане, рис.16, снимается давление со всё ещё находящегося под высоким давлением жидкого хладагента. Давление и температура падают, и хладагент вновь направляется в испаритель. При падении давления в испарителе, клапан открывается шире и позволяет притекать большему количеству хладагента к испарителю. Повышение давления в испарителе приводят к закрытию сопла и уменьшают тем самым проходящий поток. При этом расширительный клапан всё время выдаёт такое количество хладагента, которое сможет испариться, и компрессор всё время обеспечивался бы газообразным хладагентом.

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Рис.16 Термостатный расширительный клапан

1-мембрана, 2-капиллярная трубка, 3-трубопровод выравнивания давления, 4-хладагент к компрессору, 5-температурныйдатчик, 6-реryлировочная пружина,7-иголка клапана, 8- хладагент от компрессора.

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла.

7. Прессостат. Тепловые насосы имеют прессостат высокого давления, со стопорным отключением теплового насоса при давлении в холодильном цикле в 30 bar (горячая вода с температурой примерно 65°C). Прессостат низкого давления (LP = low pressure) также со стопорением отключает тепловой насос при 1,25 bar (температура испарения -19°C). Прессостат низкого давления располагается в хладагентопроводе до, a прессостат высокого давления после компрессора.

8. Сенсоры температуры. На стороне низкого давления перед компрессором, а также на стороне высокого давления после компрессора, установлено соответственно по температурному датчику. B случае если измеренная температура хладагента на стороне высокого давления превысит 120°C, компрессор немедленно выключится.

9. Сухой патрон (фильтр). Сухой патрон впаян в контуре хладагента перед ТРК (сторона высокого давления) На него возложена задача устранения, при наличии, капелек воды. Вода в контуре хладагента привела бы к образованию кристаллов льда и весь холодильный контур был бы рaзрушен.

Отопительные тепловые насосы в компоновке рассол/вода и вода/вода оснащены следующими узлами:

10. Погружной насос. На встроенный рассольный насос возложена задача транспортировки рассола, это смесь воды и гликоля, который циркулирует по коллекторам, впитывает тепло и отдаёт её хладагенту в испарителе.

11.Датчики давления и температуры. С помощью датчика давления контролируется давление в рассольном контуре. Если давление падает ниже 0,6 bar, отключается тепловой насос, включая насос для рассола. С помощью датчика температуры контролируется температура теплоносителя (рассол/грунтовая вода). Если температура его станет ниже установленного значения компрессор отключится. Рассольный насос или колодезный насос продолжает работать. При повышении температуры до необходимой компрессор включается.

12. Трехходовой переключающий клапан.В отопительном контуре может быть насос отопительной системы и трёхходовой переключающий клапан, рис.17.

Рис. 17 Трехходовой переключающий клапан

Насос отопительной системы перекачивает воду, которая циркулирует через конденсатор, нагревается и передает тепло прибором отопления - отопление пола, радиаторному отоплению или бойлеру горячей воды. Тепловые насосы могут оснащаются трёхходовым переключающим клапаном. Последний располагается в «обратке» отопительного контура. Задействование внутреннего клапана осуществляется электродвигателем на 230 В. B режиме отопления шток клапана идёт вверх и тем самым открывает «обратку» отопления (B). B режиме подготовки горячей воды шток клапана находится в нижней позиции и тем самым открывает «обратку» бойлера (A)

Для получения тепла из теплого воздуха, например, из вытяжки системы вентиляции, устанавливается специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях, например, на хлебопекарнях, предприятиях по производству керамики и т.п. предприятиях с большим количеством вырабатываемого теплого воздуха.

Глава 3 Типы тепловых насосов

Можно выделить виды тепловых насосов по источникам тепла, а именно: энергия тепла передается грунтом, водой, потоками воздуха, повторное тепло, которое добывают из стоков воды, грязного воздуха или канализационных стоков.

По типам входных—выходных контуров выделяются:

air-to-air. Насос берёт холодный воздух, опускает его температуру, получает требуемое тепло, которое передает туда, где требуется отопление.

water-to-water. Насос берёт тепло грунтовой воды, которое отдает воде для обогрева помещения.

water-to-air. Из воды в воздух. Характерно использование зондов и скважины для воды, а отопление происходит через систему воздушного отопления.

air-to-water. Из воздуха в воду. Насосы этого типа используют тепло из атмосферы для отопления водой.

soil-water. В этом виде, тепло берут из труб с водой, уложенных в землю. Забирается тепло с земли (грунта).

ice-water. Интересный вид тепловых насосов. Чтобы нагреть воду для отопления помещения используется прием получения льда, при котором освобождается колоссальная тепловая энергия.

В зависимости от сред, используемых для отбора и перераспределения энергии, а также конструктивных особенностей и способах применения, в России различают четыре основных типа ТН:

1.Тепловой насос «воздух – воздух». В качестве низкопотенциального источника энергии, данный тип оборудования использует уличный воздух. Внешне он не отличается от обычной сплит - системы кондиционирования, однако имеет ряд функциональных особенностей, позволяющих ему работать при низких температурах (до -30°C) и извлекать энергию из окружающей среды. Обогрев дома осуществляется непосредственно теплым воздухом, нагреваемом в конденсаторе теплонасоса.

Достоинства ТН «воздух - воздух»: невысокая стоимость, малое время монтажных работ и сравнительная простота установки, отсутствие возможности утечки теплоносителя.

Недостатки ТН: значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2), необходимость установки внутреннего блока в каждую комнату или организацию системы воздуховодов для подачи нагретого воздуха во все помещения, невозможность получения горячей воды (ГВС).

На практике, такие системы применяются для сезонного жилья и не могут выступать в качестве основного источника обогрева.

2. Тепловой насос «воздух – вода». По своему принципу действия схожи с предыдущим типом, однако они нагревают не напрямую воздух внутри помещения, а теплоноситель, который в свою очередь используется для отопления дома и приготовления ГВС.

Достоинства ТН «Воздух – вода»: не требует организация «внешнего контура» (бурения), надежность и долговечность, высокие показатели эффективности (СОР) в осенний и весенний периоды.

Недостатки ТН: значительное снижение СОР при низких температурах (до 1,2), необходимость оттаивания внешнего блока (реверсивный режим), невозможность эксплуатации при температуре ниже -25°C - -30°C.

Такие насосы в нашем климате все же не могут выступать единственным источником отопления. Поэтому они зачастую устанавливаются (по бивалентной схеме) в связке с дополнительным отопительным оборудованием (электрический, пеллетный, твердотопливный, дизельный котел, камин с водяной рубашкой). Также они подходят для реконструкции и автоматизации старых котельных, использующие традиционные виды топлива. Это позволяет большую часть года эксплуатировать систему в автоматическом режиме (нет необходимости загружать твердое топливо или заправлять дизельное топливо), используя только мощность ТН.

3. Тепловой насос «рассол – вода». В качестве «внешнего контура» используется недра земли. Данные ТН обладают самым главным преимуществом перед остальным типами теплонасосов – стабильный показатель эффективности работы (СОР) вне зависимости от времени года.

По устоявшейся терминологии, внешний контур называется геотермальным.

Существуют две основные разновидности геотермального контура: горизонтальный и вертикальный.

Горизонтальный контур представляет собой систему полиэтиленовых труб, уложенных под верхним слоем грунта на глубине около 1,5 – 2 м, ниже уровня промерзания. Температура в этой зоне остается положительной (от +3 до +15°C) в течение всего календарного года, достигает максимума в октябре, а минимума в мае. Площадь, занимаемая коллектором, зависит от площади строения, степени его утепления, размеров остекления. Так, например, для двухэтажного жилого дома площадью 200 м², имеющего неплохое утепление, отвечающее современным нормам, под геотермальное поле придется выделить порядка четырех соток земли (400 м²). Безусловно для более точной оценки диаметра используемым труб и занимаемой площади, необходим подробный теплотехнический расчет.

Достоинства горизонтального коллектора: более низкая стоимость по сравнению с геотермальными скважинами, возможность проведения работ по его устройству совместно с прокладкой других коммуникаций (водопровод, канализация)

Недостатки горизонтального коллектора: большая занимаемая площадь (не ней запрещается возводить капитальные строения, асфальтировать, укладывать тротуарную плитку, необходимо обеспечить естественный доступ света и осадков), меньшая стабильность по сравнению с вертикальным коллектором.

Обустройство такого типа коллектора обычно осуществляется двумя способами. В первом случае на всей площади укладки снимается верхний слой грунта, толщиной 1,5-2м, выполняется раскладка труб теплообменника с заданным шагом (от 0,6 до 1,5м) и производиться обратная засыпка. Для выполнения таких работ подходит мощная техника, такая как фронтальный погрузчик, бульдозер, экскаваторы с большим вылетом стрелы и объемом ковша.

Во втором случае укладка петель грунтового контура производиться поэтапно в подготовленные траншеи, шириной от 0,6м до 1 м. Для этого подходят небольшие экскаваторы и экскаваторы - погрузчики.

Вертикальный контур. Вертикальный коллектор представляет собой скважины глубиной от 50 до 200м и более, в которые опущены специальные устройства –геотермальные зонды. Температура в этой зоне в течение многих лет и десятилетий остается постоянной и растет с увеличением глубины. Повышение происходит в среднем на 2-5°C на каждые 100 м. Величина это характеризующая называется температурным градиентом. При расчете глубины бурения и проектирования размера, диаметра и прочих характеристик геотермальных зондов, необходимо учитывать этот фактор. Помимо этого, необходимо учитывать геологический состав проходимых пород. Только опираясь на эти данные можно правильно запроектировать геотермальный контур.

4. Тепловой насос «вода – вода». Одной из разновидностей геотермального источника тепла могут быть подземные воды. Они имеют постоянную температуру (от +7°C и выше), и в значительном количестве залегают на различных глубинах. По технологии, подземные воды поднимаются центробежным насосом из скважины и поступают на станцию тепломассообмена, где передают энергию антифризу нижнего контура теплового насоса. Эффективность работы данной системы зависит от уровня залегания грунтовых вод (в зависимости от глубины подъема, требуется определенная мощность помпы), расстояния от заборной скважины до станции обмена. Эта технология имеет один из самых высоких показателей COP, однако имеет ряд особенностей, ограничивающих ее применение. Среди них: необходимость учитывать солевой состав и загрязненность (при не надлежащем качестве воды, происходит засорение теплообменника, снижаются показатели производительности), необходимость устройства дренажного колодца для сброса значительных объемов отработавшей воды (от 2200 л/ч и более).