Также как и холодильные машины, тепловые насосы относят к трансформаторам тепла. Принципиаль­ного различия в работе и в конструкции между ними не существует. Различается лишь назначение, и, температурный уровень получаемой теплоты. Цель холодильной машины - получение теплоты с темпе­ратурой ниже уровня температуры окружающей среды, т. е. производство холода. Холод в парокомпрес - сионной холодильной установке получается в виде охлажденного теплоносителя (рассолы, антифризы, воздух, вода) выходящего из испарителя. Цель теплового насоса - получение теплоты, которая в случае парокомпрессионного теплового насоса получается в виде нагретого теплолносителя (воды, воздуха), выходящего из конденсатора.

Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса может быть проиллюстрирован при помощи рис.23, на котором изображены его схема и термодинамический цикл в диаграмме T-s («температура- энтропия»). Тепловой насос действует за счет подведенной в компрессоре механической работы. При­вод компрессора может осуществляться от электрического или теплового двигателя. В компрессоре (процесс 1-2) повышается давление рабочего вещества, находящегося в парообразном состоянии от давления P1 до давления P2. Затем в конденсаторе (процесс 2-3) при постоянном давлении происходит конденсация рабочего вещества. Получаемое при конденсации тепло передается потребителю при тем­пературе T2, например, нагревая воду, направляемую в систему отопления. В дросселе происходит расширение рабочего вещества до давления P1 с его частичным испарением (процесс 3-4). Далее, ра­бочее вещество полностью превращается в пар при температуре T1 в испарителе, где отбирается теп­лота от ее источника, например от нагретого вентиляционного воздуха или продуктов сгорания.

I - испаритель, II - компрессор, III - конденсатор, IV - дроссель.

Коэффициент преобразования тепла представляет собой отношение получаемой тепловой мощности к затрачиваемой мощности на привод компрессора. Он выше единицы, и существенно зависит от темпе­ратуры холодного источника теплоты T1 и температуры получаемого горячего теплоносителя T2. В ре­зультате работы теплового насоса мы можем получить примерно в 2 - 8 раз больше теплоты, чем в слу­чае непосредственного подогрева теплоносителя в электрокалорифере.

Для людей, не знакомых с работой тепловых насосов, это обстоятельство кажется нарушением первого закона термодинамики. На самом деле - это не так. В данном случае мы лишь трансформируем теплоту более низкого потенциала в теплоту более высокого потенциала - т. е. другого температурного уровня. Коэффициент преобразования тепла не является коэффициентом полезного действия теплонасосной установки. Известно, что качество вида энергии зависит то его способности превращаться в другой вид энергии. Если механическая работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в идеальном процессе лишь частично превращается в механическую ра­боту. Степень превращения теплоты в работу характеризуется работоспособностью или эксергией пото­ка теплоты и существенно зависит от температурного уровня потока теплоты, а также от температуры окружающей среды.

Термодинамическое совершенство теплового насоса определяется его эксергетическим КПД. Он может быть вычислен следующим образом:

Q • w,,,,

Пе = —в---------------------------------------------------------------------- (41)

N

Здесь w - температурная функция или коэффициент работоспособности теплоты, определяемая как

T - T„,

W=

Как видно, эксергетический КПД теплонасосной установки всегда меньше единицы.

Примерная зависимость коэффициента трансформации тепла от температуры представлена на рис 24. Как видно, в случае малой разности температур в испарителе и конденсаторе коэффициент трансфор­мации может достигать больших значений. На практике при современном уровне цен на оборудование и энергоносители рекомендуют применять тепловые насосы с коэффициентом трансформации не ниже 2,5.

" П

0,4

0,3 0,2 0,1

0 -10 -20 -30 -40 to 0 -10 -20 -30 t0 , оС

Б)

Рис.24. Зависимость холодильного коэффициента (а) и эксергетического КПД (б) от температур конденсации и испарения.

Удельная стоимость тепловых насосов, выпускаемых в России по данным [9] для мощностей от 100 до 10000 кВт составляет 6000-7000 рублей за киловатт установленной тепловой мощности (включая мон­таж). Стоимость тепловых насосов, выпускаемых зарубежными фирмами несколько выше. Следует ожидать, что с увеличением числа отечественных производителей удельная стоимость тепловых насо­сов будет понижаться.

Характеристики теплового насоса во многом зависят от применяемого рабочего вещества. В этом каче­стве чаще всего применяются различные фреоны (хладоны) - галогенопроизводные предельных угле­
водородов. Используются такие фреоны, как R-22, R134a, R-407C а также озонобезопасный фреон R- 142B. Применение фреона R-22 разрешено Монреальской конвенцией лишь до 2005 года. Характери­стики фреонов во многом определяют коэффициент преобразования тепла и следовательно, экономич­ность теплового насоса. Теплофизические и термодинамические свойства фреонов можно найти в [10].