В статье приведены результаты исследования различных режимов работы теплового насоса.
Ключевые слова:энергосбережение, тепловой насос (ТН), коэффициент трансформации, температура испарения, температура конденсации.
Энергетика любой страны, является одной из базовых отраслей экономики. Рост экономики требует увеличения генерирующих мощностей, что может быть достигнуто путем строительства новых электростанций, а также путем рационализации использования уже функционирующих. В перспективе значительную роль в энергетике Казахстана будут играть нетрадиционные и возобновляемые источники, но в настоящее время более 85 % электроэнергии Казахстана вырабатывается на тепловых электростанциях. Это связано с наличием огромного количества углеводородного сырья в нашей стране, поэтому строительство принципиально новых электростанций, основанных на альтернативной энергии в настоящее не всегда рентабельно. Нетрадиционная энергетика, находится в стадии активного развития, но проекты требуют слишком больших инвестиций, поэтому процесс перехода на возобновляемые источники энергии происходит во всем мире довольно медленно [1].
Прогнозируется, что доля альтернативной энергетики (солнечной, ветряной, приливной, гелиоэнергетики и т. п.) в мировом энергопотреблении будет ежегодно возрастать и к 2030 году составит 30 %, к 2050 году — 50 %. Однако, несмотря на многообещающие результаты, альтернативные источники энергии пока еще не нашли на уровень оптимального соответствия ожиданиям массового потребителя [2].
В этой связи, вопросы эффективного использования возобновляемых ресурсов рассматриваются как задача на будущее, в том числе дано поручение Президента Республики Казахстан о необходимости выработки Правительству подходов к решению этой проблемы [3].
Применение тепловых насосов в альтернативной энергетики является принципиально новым решением проблемы теплоснабжения и позволяет в зависимости от сезона и условий работы достигать максимальной эффективности, так как они могут быть встроены и в существующие системы отопления и горячего водоснабжения, а также одновременно может служить источником для системы кондиционирования.
Тепловые насосы представляют собой технические устройства, позволяющие трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий. Важнейшая особенность теплонасосных установок является универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными. Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии (электрических, газовых и дизельных) заключается в том, что при производстве тепла до 80 процентов энергии извлекается из окружающей среды.
Целью исследования было определение эффективности работы теплового насоса в зависимости от стартовой температуры низкопотенциального источника энергии.
Исследования проводились на экспериментальной установке (рисунок 1) при разных температурах низкопотенциального источника энергии. Данная установка позволяет осуществлять многократную трансформацию тепла, путем переключения соответствующих вентилей, меняя тем самым местами конденсатор и испаритель.
Рис. 1. Принципиальная схема работы теплового насоса: 1 — компрессор; 2 — испаритель; 3 — конденсатор; 4 дроссель; 5 — фильтр-осушитель; 6 — индикатор влаги; 7 — емкости для воды
В процессе проведения экспериментов осуществлялся контроль температур в испарителе и конденсаторе до момента стабилизации температуры нагреваемой воды. Опыты проводились при разных стартовых температурах в испарителе: 8°С, 24°С и 40°С. При этом в конденсаторе начальная температура воды имела свои начальные параметры соответственно 9°С, 17,5°С и 10,5°С. На основе полученных данных был построен график зависимости температуры воды в конденсаторе от стартовой температуры в испарителе (рисунок 2).
Рис. 2. Зависимость температуры воды (tk), в конденсаторе от температуры низкопотенциального источника (tн)
В результате анализа полученных данных было установлено, что при начальной температуре воды в испарителе 40°С наблюдается более интенсивный нагрев воды в конденсаторе в интервале времени 80 минут. Это может быть объяснено более высоким коэффициентом трансформации тепла. Далее интенсивность повышения температуры снижается, так как температура в испарителе понижается и соответственно снижается коэффициент трансформации.
Экономическая эффективность применения теплонасосных систем теплоснабжения определяется выбором источника теплоты и режимными характеристиками системы. Следуя, законам термодинамики коэффициент преобразования теплоты рассчитываем по формуле:
(1)
где tk — высокая температура (температура конденсации — температура в системе отопления), К,
tн -низкая температура (температура испарения температура источника низкопотенциального тепла),К.
Так как температура в испарителе в процессе работы теплового насоса понижается и является величиной не постоянной, то для расчета коэффициента преобразования за расчетную температуру низкопотенциального источника берем стабилизированную температуру, соответствующую, в определенный момент времени, определенной температуре в конденсаторе. Результаты расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1
|
Стартовая температура в испарителе tн, °С |
Расчетная температура в испарителе tн,°С |
Расчетная температура в конденсаторе tk,°С |
КОП (СОР): |
|
8 |
9 |
45 |
4,42 |
|
24 |
12 |
48 |
4,46 |
|
40 |
16,5 |
51 |
4,69 |
Из полученных величин видно, что коэффициенты преобразования мало отличаются по величине, это объясняется тем, что запас низкопотенциальной теплоты уменьшается в процессе работы теплового насоса.
Выводы:
1 При высокой стартовой температуре воды в испарителе наблюдается более интенсивный нагрев воды в конденсаторе.
2 При переменном низкопотенциальном источнике теплоты коэффициент преобразования рассчитывается по стабилизированным температурам и имеет небольшие значения, находясь в доверительном интервале.
Литература:
1. Отраслевая программа по развитию электроэнергетики в Республике Казахстан на 2010–2014 годы. http://www.mint.gov.kz/
2. Статистический сборник «Топливно-энергетический баланс Республики Казахстан за 2000–2004 годы», Алматы 2005, Агентство Республики Казахстан по статистике.
3. Проект «Программы эффективного и рационального использования возобновляемых источников энергии» — Поручение Президента Республики Казахстан Правительству от 28 августа 2006 года № 3392
