Тепловой насос изнутри

  Описание функций

Основные принципы работы теплового насоса
Тепловой насос оптимально использует имеющееся природное тепло окружающей среды, превращая накопленную энергию солнца, а также тепло земли в полезную энергию. Для этого тепловой насос забирает у источников тепла, земли или грунтовой воды, накопленное тепло и повышает эту энергию до пригодного для целей отопления уровня температуры.

Наше окружение содержит по человеческим понятиям неисчерпаемые запасы тепла. Только, как известно, тепло не течёт само по себе от мест более глубоких к таким местам, температура которых выше. Для этого тепловые насосы имеют холодильный контур, в котором хладагент уже при очень низких температурах испаряется и впитывает тепло.

Коэфициент мощности (Епсилон)
Коэффициент мощности Е показывает отношение отдаваемой теплопроизводительной мощности теплового насоса к задействованной электрической мощности без вспомогательных видов энергии, как, например, холодильный теплоноситель и насос отопительного контура. Он всегда касается чётко определённых условий на момент произведения измерений и тем самым делает возможным сравнение различных систем тепловых насосов и их марок (моментальный снимок).

Коэффициент мощности зависит от типа теплового насоса, температуры источника тепла (вода/рассол), а также необходимой температуры стороны отопления.

B принципе действует правило: Чем выше температура источника тепла и чем ниже температура в установке использования тепла, тем более экономична эксплуатация теплонасосной установки.

  Прицип действия теплового контура.

Холодильный контур состоит в основном из четырёх основных компонентов: компрессора, испарителя, конденсатора и расширительного клапана.

B контуре циркулирует хладагент, не содержащий фторо-хлоро-углеводородов, с чрезвычайно низкой точкой кипения. B испарителе к хладагенту подводится тепло окружающей среды. Происходит переход из жидкого в газообразное агрегатное состояние вещества. В компрессоре газообразная рабочая среда сильно сжимается и выводится тем самым на высокий уровень температуры. На этот процесс требуется 20-25 % электрической энергии. В конденсаторе тепловая энергия напрямую передаётся отопительному контуру. Тем самым происходит охлаждение и сжижение рабочей среды. B расширительном клапане у рабочей среды снимается давление, и тем самым она охлаждается настолько, что может снова впитывать тепло окружающей среды.

  Принцип действия

Тепловая насосная система состоит из природного или технологического источника тепла (не требуется топливо), теплового насоса (вместо котла), приборов отопления (обычные радиаторы или тёплый пол) и источника электроэнергии для питания теплового насоса.

Энергия из природного или технологического источника тепла (1) подается полиэтиленовыми трубами (2) или при помощи вентилятора (если источник тепла воздух) в теплообменник (4). В этом теплообменнике холодная (-15°С) жидкость — фреон (3), циркулируя в закрытой системе, забирает тепло от теплоносителя (-5° — +8°С), превращается в пар, сжатый компрессором (5) до 28 бар, и в другом теплообменнике (6) отдает тепловую энергию (+35° — +55°C) в систему отопления (8), радиаторную (9) или с подогревом пола (10), или в водонагреватель (11), далее проходит через расширительный клапан-дроссель (7) и, вновь превратившись в жидкость низкой температуры, возвращается в теплообменник (4). После этого цикл повторяется.

Принцип действия тепловых насосов – процесс кругооборота хладагента.

Кругооборот хладагента в тепловом насосе можно представить на диаграмме, которая связывает между собой энтальпию h (теплота, уходящая на испарение) и давление p (в логарифмическом представлении)t, диаграмма lg p, h. Энтальпия есть теплосодержание. Она увеличивается, когда подводится тепло. Изменения агрегатного состояния вещества хладагента происходит при постоянных температурах. Нанесённая на рисунке дугообразная кривая охватывает участок «насыщенного пара». Слева от дугообразной кривой располагается хладагент в жидком виде, справа в виде перегретого пара, «перегретый пар».

Испарение.
Жидкий хладагент поступает с низким давлением (например, 4 bar) и низкой температурой (например, -3 °C) в испаритель. Температура хладагента ниже, чем источника тепла (например, 5 °C). Вследствие этого перепада температуры течёт тепловой поток, передающий тепло от источника тепла хладагенту. Хладагент испаряется (насыщенный пар) и энтальпия растёт. Необходимое для этого тепло на испарение (скрытое (латентное) тепло) забирается у источника тепла, который тем самым охлаждается (например, на 3,5 градуса K до 1,5 °C). После испарителя температура хладагента при относительно постоянном давлении повышается (например, на 2,5 °C при 4 bar). После испарения при том же давлении происходит принудительный перегрев пара хладагента для достижения уверенности в полном испарении всей жидкости (перегретого пара) (например, до 6,5 °C). Это происходит в промежуточном теплообменнике (узел перегреватель/переохладитель). Путём перегрева достигается то, что компрессор всё время питается парообразным хладагентом.

Сжатие.
Парообразный хладагент всасывается и сжимается уплотнителем (компрессором). Тем самым давление парообразного хладагента поднимается (например, до 14 bar). Следствием возникшего благодаря этому повышения давления является опять-таки повышение температуры (например, 67°C). Потреблённая уплотнителем (компрессором) электрическая энергия привода превращается в как можно более высокую долю работы по уплотнению. Речь идёт о перегретом паре хладагента (перегретом паре). Подводимая к уплотнителю электрическая мощность используется для поднятия пара хладагента на более высокий уровень давления, содержание энергии в хладагенте благодаря этому повышается лишь примерно на 1/4, тем самым изменяется несущественно. Итак, добытое из окружающей среды тепло составляет и в дальнейшем бoльшую часть тепла (ок. 3/4), содержащегося в паре хладагента.

Сжижение.
Доведённый до высокой температуры и находящийся под давлением пар хладагента нагнетается в ожижитель (конденсатор). Температура участка подачи (УТВ) отопления (например, 35 °C) в конденсаторе ниже, чем температура перегретого пара хладагента (например, 67 °C). Поэтому хладагент отдаёт там свою впитанную энергию в виде полезного тепла системе отопления. Снижение температуры пара ведёт опять-таки к изменению агрегатного состояния вещества. Пар хладагента конденсируется и становится жидким. Температура хладагента снижается. Давление остаётся при этом, абстрагируясь от небольших потерь, постоянным (например, до 34 °C температуры конденсации, при давлении 14 bar).

Полученная из процесса сжижения хладагента доля переданного воде отопительной системы тепла (латентное тепло) существенно выше, чем доля тепла из процесса заметного охлаждения пара хладагента (пример водяной кипятильник).

После конденсации при том же самом давлении осуществляется принудительное переохлаждение пара хладагента с целью достижения уверенности в полном сжижении всех парообразных частей (например, до 25 °C). Это осуществляется также в промежуточном теплообменнике. Путём переохлаждения достигается постоянное питание расширительного клапана жидким хладагентом.

Снятие давления (декомпрессия).
Расположенный между ожижителем и испарителем расширительный клапан замыкает собой контур хладагента. Через этот расширительный клапан, находящийся под высоким давлением сжижения хладагент, проходя операцию понижения давления, опускается на более низкий уровень давления (4bar). При этом опять-таки температура хладагента будет снижаться, пока не достигнет исходной температуры (-3 °C). Хладагент снова готов к приёму тепла. У теплового насоса, таким образом, закрытый цикл.

  Узлы холодильного контура

Узлы холодильного цикла тепловых насоcoв по своим функциям в значительной степени идентичны с узлами известных тепловых насосов рассол/вода или вода/вода. 3.1. Хладагент R 407 C. Тепловые насосы заполняются безопасным хладагентом R407C. Потенциал разрушения озонового слоя (коэффициент ODP) у этого хладагента в районе нуля. Хладагенты, попадающие в атмосферу повышают так называемый тепличный эффект.

Тепличный потенциал (англ. Global Warming Potential = GWP) у хладагента R407C в сравнении с другими хладагентами незначительный. Хладагент R40 C в сочетании со спиральным компрессором тепловых насосов обеспечивает высокий коэффициент полезного действия в пограничных областях источника тепла.

Высокопроизводительный испаритель.
B нём хладагент забирает у источника тепла необходимое для испарения хладагента тепло. 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. Новая технология, равномерно распределяющая хладагент через специальную систему впрыскивания по всем пластинам, позволяет добиться существенно лучшего теплообмена и тем самым более высокого коэффициента полезного действия.

Перегрев.
Путём предварительной настройки расширительного клапана, a также использованием промежуточного теплообменника достигается режим, когда температура хладагента при входе в компрессор всё время на несколько градусов выше, чем температура испарения для достижения полного испарения всех жидких частичек. Перегрев предварительно настраивается на заводе c использованием для этого регулировочного винта и запрещается его перенастройка на месте. Значение перегрева должно примерно составлять 3 K – 10 K.