Реферат на тему: «Работа холодильных машин и тепловых насосов» . Саратов 2024 Содержание Введение 3 Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения 6 Принцип работы теплового насоса 9 Мировой опыт применения тепловых насосов 12 Заключение 14 Список используемых источников 15 2 Введение Над созданием первых холодильных машин работали многие изобретатели, инженеры и ученые. Английский физик и химик Бойль и немецкий физик Герике в конце XVII в. установили, что вода в разряженном пространстве испаряется при низких температурах. В 1777 г. Нерн показал, что в условиях вакуума вода замерзает, если удалять образующиеся водяные пары (пары поглощались серной кислотой). Эти открытия помогли англичанину Лесли построить в 1810 г. первую искусственную «ледоделку». Практическое применение холодильные машины нашли только тогда, когда вместо воды были найдены более эффективные рабочие тела. В 1834 г. английский врач Перкинс построил холодильную машину, работающую на этиловом эфире. Применение этилового эфира позволило получить низкие температуры при давлениях кипения более высоких, чем при использовании воды. Машину Перкинса можно считать прообразом современной компрессионной холодильной машины. В нее входили все наиболее характерные для этих машин элементы: сосуд, где вследствие подвода тепла от внешней среды кипел эфир при низкой температуре, насос (компрессор), снимающий и направляющий пары эфира в змеевик, в котором при более высоком давлении и более высокой температуре происходила их конденсация. Сконденсировавшийся жидкий эфир через специальный дроссельный вентиль вновь направлялся в сосуд (испаритель), где кипел при низкой температуре. В 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфире. В 1872 г. Бой-лю был выдан патент на аммиачную холодильную машину. В 1881 г. Линде одновременно с Видхаузеном построил углекислотную машину. В 1845 г. американец Горри изобрел газовую - воздушную холодильную машину, работа которой была основана на том, что предварительно сжатый и 3 охлажденный за счет окружающей среды воздух расширялся в специальной машине - детандере; при этом температура воздуха понижалась. Несколько позже появились абсорбционные холодильные машины. В 1862 г. Карре предложил абсорбционную холодильную машину, основанную на поглощении пара аммиака слабым водоаммиачным раствором с последующим выпариванием аммиака из раствора при помощи источника тепла высокой температуры (горячие газы, пар и др.). В 1884 г. был запатентован принцип пароэжекторной холодильной машины: образовавшийся при низкой температуре пар отсасывается и сжимается за счет энергии струи пара того же вещества. Первая пароэжекторная холодильная машина была сконструирована Лебланом в 1910 г. Абсорбционная и пароэжекторная машины относятся к теплоиспользующим машинам. Пельтье в 1834 г. открыл. Что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Дальнейшему развитию термоэлектрических холодильных машин в значительной степени способствовали работы академика А. Ф. Иоффе и других ученых и конструкторов. Холодильные машины применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве для замораживания и хранения пищевых продуктов, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетических волокон, каучука, спирта и т. д.; для кондиционирования воздуха в цехах промышленных предприятий, в общественных и административных зданиях, в бытовых помещениях и т. д.; в горной промышленности при проходке неустойчивых грунтов; в рефрижераторном транспорте; в металлургической промышленности для термической обработки сталей и т. д.; в радиотехнике; при испытаниях промышленных изделий и во многих других случаях. В настоящее время преимущественно используются холодильные машины компрессионного типа. При наличии дешевых 4 источников тепла высокой температуры применяют теплоизолирующие машины. Термоэлектрические холодильные машины находят применение в радиотехнике и в ряде специальных приборов. 5 Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения Обычно холодильная машина переносит тело от источника, температура которого ниже окружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, - воде или воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или поддержания низких температур в определенном объеме холодильной камере. При помощи холодильной машины тепло можно перенести и к источнику, температура которого значительно выше окружающей среды. Это тепло можно полезно использовать, например, для отопления. В этом случае холодильную машину принято называть тепловым насосом. По виду затрачиваемой энергии холодильные машины разделяют на компрессионные, Компрессионные теплоизолирующие машины потребляют и термоэлектрические. механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию. В машинах первых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого рабочим телом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). В термоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потока электронов на атомы. В зависимости от свойств и агрегатного состояния рабочих тел, при помощи которых осуществляются процессы, холодильные машины делятся на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего тела не изменяется. Машина работает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температуры переносится к окружающей среде. В этом случае она 6 служит для охлаждения или поддержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающей среды к источнику с более высокой температурой холодильная машина работает как тепловой насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится от источника низкой температуры к источнику с температурой выше окружающей среды, машина работает по теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения. Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия. Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы: * тепло земли (тепло грунта); * подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные); * наружный воздух. В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать: * удаляемый вентиляционный воздух; * канализационные стоки (сточные воды); 7 * промышленные сбросы; * тепло технологических процессов; * бытовые тепловыделения. Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала. Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов. 8 Принцип работы теплового насоса Принципиальная схема теплового насоса. Низкопотенциальная теплота поступает в испаритель, где её воспринимает рабочее тело (хладагент). Рабочее тело поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода тепла хладагент превращается в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где повышается их давление и температура (вследствие сжатия). Т.е. в компрессоре подводится работа от внешнего источника. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают тепло в систему отопления (как следствие – конденсация паров хладагента). Завершением цикла является дросселирование хладагента. При этом его давление и температура снижаются до температуры низкопотенциального источника тепла. Рассмотренный цикл в Т,s – диаграмме выглядит следующим образом: 9 Описанный парокомпрессионный цикл одинаков и для теплового насоса и для холодильной машины. Его часто называют обратным циклом Ренкина или, менее точно, просто циклом Ренкина. Идеальный процесс теплового насоса является обратным процессом Карно. Но идеальные процессы невозможны. Коэффициент преобразования фактического процесса, совершающегося в тепловом насосе, с учетом потерь, будет меньше. По причине тепловых, механических и электрических потерь, а также, исходя из потребности в вспомогательной энергии, реально достижимый коэффициент преобразования меньше, чем q1/L . Для контрольного расчета можно брать коэффициент 0,5 (k = 0,5х q1/L). Температурная разница определяет коэффициент производительности. Коэффициент преобразования в любом случае зависит от температурной разницы между источником тепла и системой распределения тепла: Чем меньше эта температурная разница, тем экономичнее работает тепловой насос. Поэтому имеет такое большое значение оптимальное планирование всей отопительной системы. Источники низкопотенциальной тепловой энергии. Тепловой насос предназначен для использования энергии, получаемой от источника тепла низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса. 10 В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды. 11 Мировой опыт применения тепловых насосов Опыт использования тепловых насосов различен в разных странах и зависит от климатических и географических особенностей, уровня развития экономики, топливно-энергетического баланса, соотношения цен на основные виды топлива и электроэнергии, традиционно используемых систем теплоэнергоснабжения и др. При сходных условиях, с учетом состояния экономики России, зарубежный опыт следует рассматривать как реальный путь развития в некоторой перспективе. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано, в первую очередь, на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах получили наибольшее распространение воздухо-воздушные реверсивные ТНУ (теплонасосные установки), предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе получили большее распространение водоводяные и водо-воздушные ТНУ. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое распространение СЦТ (системы централизованного теплоснабжения) привело к развитию крупных ТНУ. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются ТНУ с приводом от газового двигателя и АТН. Для Германии крайне важным является замена привозного топлива из нефти и снижение загрязнения окружающей среды. Поэтому широкое развитие получили ТНУ с электроприводом, а также от газовых дизельных двигателей. 12 Можно выделить США, ФРГ, Японию, Францию, Швецию, Германию, Данию и Швейцарию, в которых развитие ТНУ происходит особенно быстрыми темпами. США в настоящее время эксплуатирует около 10 млн. ТНУ и из них 60% в ЖКС. Ежегодно вводится в эксплуатацию до 500 тыс. ТНУ. Более всего распространены реверсивные воздухо-воздушные ТНУ с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. ТНУ выпускают более 50 фирм, 30% вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают ТНУ. Быстрыми темпами развиваются системы теплоснабжения жилых и общественных зданий с ТНУ "грунт-вода". Разработаны высокоэффективные технологии и технические средства отбора теплоты грунта. Действует эффективная система штрафов (за выброс CO2 при сжигании топлива) и поощрений за использование ИНТ в целях теплоснабжения. 13 Заключение В качестве итога можно сказать, что теплонасосные технологии действительно являются очень эффективным методом энергосбережения. Использование тепловых насосов в отопительных целях позволило бы снизить затраты на импортное топливо и повысить эффективность энергосистемы. В нашей стране данная технология еще не нашла широкого применения. Это связано с климатическими особенностями региона. Использовать атмосферный воздух в качестве ИНТ в наших условиях не эффективно (слишком большая разница температур), использовать грунт так же не всегда эффективно, а порой и невозможно. 14 Список используемых источников 1. Большая Российская энциклопедия. М.: ПрофИздат 2007 - 650с. 2. Колевский Н.К. Эксплуатация и ремонт холодильников и холодильных установок (справочник мастера) СПБ:. Из-во НИВА Принт 1995 - 110с. 3. Мальгина С.В. Холодильные машины и установки М.: Пищевая промышленность, 1980 - 592с. 4. Рыбин Г.А. Всё о бытовых холодильниках М.: Профиздат 2007 - 290с. 15
