История тепловых насосов

ИСТОРИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Тепловой насос долгое время оставался термодина­мической загадкой, которой интересовались только преподаватели и исследователи. В настоящей главе описана начальная стадия ис­следований и история «умножителя тепла» лорда Кельвина.

1. ДЕВЯТНАДЦАТЫЙ ВЕК

Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практи­ческую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (впос­ледствии— лорд Кельвин) в 1852 г. Она была названа умножи­телем тепла и показывала, как можно холодильную машину эф­фективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения Томсон указывал, что ограниченность энергети­ческих ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять мень­ше топлива, чем обычные печи.

Предложенный Томсоном тепловой насос использует воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывается в цилиндр, расширяется и от этого охлаждается, а затем проходит через теплообменник, где нагревается наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из ци­линдра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей.

Есть данные о том, что фактически реализована подобная ма­шина была в Швейцарии. Томсон заявил, что его тепловой насос способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на прямое отопление.

2. ДВАДЦАТЫЙ ВЕК

Холодильные машины развивались уже в конце XIX в., но тепловые насосы получили быстрое развитие лишь в 20-х н 30-х го­дах, когда в Англии была создана первая тешюнасосная установ­ка. Холдэйн описал в 1930 г. испытание домашнего теплового насоса, предназначенного для отопления и горячего водоснабже­ния и использующего тепло окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию демонстрацион­ных установок, но до этой стадии было доведено сравнительно немного проектов, так как все они имели лишь частное финанси­рование.

Первая крупная тешюнасосная установка в Европе была вве­дена в действие в Цюрихе в 1938—1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладоагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. Цель создания этих ус» тановок — сокращение потребления угля в стране. Некоторые нз них успешно работают более 30 лет.

2.1. ПЕРВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ В АНГЛИИ

Первый английский тепловой насос для крупного здания объе­мом 14 200 м3 был установлен в Норвиче.

Источник тепла — речная вода. Температура подаваемой воды 50° С. Хладоагентом была двуокись серы, коэффициент преобразо­вания (КОП) около 3. Использовали бывший в употреблении компрессор выпуска 1926 г. с ременной передачей от электромотора постоянного тока. В зависимости от наружных и внутренних условий потреблялась мощность 40— 80 кВт.

В исторических обзорах чаще упоминается другая тешюнасос­ная установка в Англии на набережной Темзы в Лондоне, в кон­цертном зале «Ройял фестивал холл». Эта установка также была экспериментальной, предназначенной для отопления зимой и охлаждения летом, ее тепловая мощность 2,7 МВт. Фактическая пиковая тепловая нагрузка для здания была преувеличена. Источ­ник тепла—вода в Темзе, температура подаваемой воды 71° С. В режиме охлаждения подавалась вода с температурой 4° С. При­водной двигатель «КоПз-Коусе МегПп» переведенный на городской газ, мощностью 522 кВт. Центробежный компрессор был создан из турбонагнетателя воздуха в двигатель.

Тепло от конденсатора теплового насоса дополнялось поступле­нием тепла от системы охлаждения газового двигателя. В качестве хладоагента применен К12, достигнут коэффициент преобразова­ния 5,1 и коэффициент первичной энергии (КПЭ) уста­новки приближался к 1,5. Установка оказалась неэкономичной, частично из-за повышенных эксплуатационных расходов, но в ос­новном из-за излишеств при проектировании. Капиталовложения составили 103 200 ф. ст. (в ценах 1953 г.), тогда как при правиль-пом выборе нагрузок они составили бы 52 500.

Один из первых успешно работавших домашних тепловых насо­сов установил в своем доме Самнер — конструктор описанной выше установки в Норвиче. Одноэтажный дом имел хорошую теплоизоляцию и полностью отапливался тепловым насосом. Сначала, в первые годы эксплуатации, источником тепла был воздух, а за-тем — подземный теплообменник, использовавший тепло грунта на глубине около 1 м. В комнаты тепло поступало по медным труб­кам, вмонтированным в бетонный пол. Коэффициент преобразова­ния составляет 2,8, и установка нормально работает в настоящее время.

В 50-е годы было выпущено много мелких тепловых насосов домашнего применения . Наиболее подробно описан холодильник-нагреватель Ферранти, осущест­вляющий одновременно охлаждение пищевой кладовой и подачу отведенного тепла при повышенной температуре для нагрева во­ды. Аккумулятором тепла служил бак па 136 л, нагреваемый зимой мощностью 0,7 кВт и летом в жаркие месяцы мощностью 1,3 кВт,Мощность компрессора 400 Вт, температура кладовки снижается в среднем на 11° С. Интересно, что установка стоила 141 ф. ст., но она была в то время отнесена к предметам роскоши и на нее про­изведена наценка на 60%, что отпугнуло возможных покупателей. Однако те установки, что были проданы, работали хорошо.

Тепловой насос в Наффилд колледже (Оксфорд), который еще существует, хотя и не работает, был запроектирован в 1954 г. Источник тепла — сточные воды с температурой 15—24° С. Привод компрессора от дизеля мощностью 31 кВт, общий КОП составляет около 4. Стоимость тепла, даваемого этим тепловым насосом, была сопоставлена со стоимостью тепла от котельной и теплового насоса с электроприводом: 2,4, 3,15 и 3,8 пенса за 1 МДж соответственно (все в ценах 1936 г.). Стои­мость нефти тогда была 3,7 пенса за литр, электричества 1,375 пенс/(кВт • ч). Стоимость установки 9310 ф. ст., или 73 ф. ст./кВт тепловой мощности. Тепло охлаждения двигателя используется для дополнительного нагре­ва воды, которая обогревает колледж. Тепловая мощность уста­новки 150, а полная расчетная тепловая нагрузка 450 кВт.

2. РАЗВИТИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В США

Ранние проекты, выполненные в США, уже упоминались. В конце 40-х годов было установлено, что коммерческий успех будет выше, если выпускать «агрегированные» установки, полностью собранные на заводе-изготовите­ле и встроенные в дома. В 1952 г. такие тепловые насосы поступи­ли на рынок в большом количест­ве. В первый год было выпу­щено 1000 агрегатов, в 1954 г. вдвое больше и в 1957 г. — в 10 раз больше. В 1963 г. было выпу­щено уже 76 000 агрегатов, при­чем большинство из них установ­лено в южных штатах, где тре­буется летнее охлаждение и отопление зимой. Такие тепловые насосы успешно конкурируют с обычными котлами, дающими только тепло.

Проблемы возникли, когда эти установки начали применять в холодных северных штатах и вы­явился их недостаточный ресурс. За агрегированными тепловыми насосами установилась репутация ненадежных устройств. Это привело к прекращению роста выпус­ка в начале 60-х годов вплоть до 1971 г., когда снова начался их рост. За период застоя производства были .разработаны новые, более надежные агрегаты и, что более важно, изготовители помогли инженерам, устанавливающим и наблюдающим за агре­гатами, лучше ознакомиться с ними. Было проведено несколько исследований надежности, а в 1974 г. Институт охлаждения и кондиционирования воздуха выдвинул программу аттеста­ции и классификации тепловых насосов по их назначению. Эта работа продолжается в настоящее время.

В 60-е годы стоимость электроэнергии в США сильно снизи­лась, что дало преимущества прямому электроотоплению в ущерб тепловым насосам, спрос па которые упал и в связи с ненадеж­ностью.

Но в 1973 г. энергетический кризис положил начало новому периоду быстрого роста интереса к тепловым насосам. В 1976 г. было продано 300 тыс. агрегатов, а их полное число в США пре­вышает 2 млн.

3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Интерес к тепловым насосам никогда не был так велик, как в настоящее время. В Европе, Японии и США выпускают установ­ки для теплоснабжения квартир, общественных зданий и промыш­ленных процессов. Международное энергетическое агентство и Ев­ропейское экономическое сообщество выдвинули крупные про­граммы развития тепловых насосов с демонстрацией новых конст­рукций и способов применения. В ближайшие годы на рынке по­явятся совершенно новые тепловые насосы для домашнего приме­нения, использующие газ вместо электроэнергии. Расширится при­менение тепловых насосов в промышленности с вытеснением обыч­ных сушилок. Тепловые насосы позволяют нам использовать энер­гию более эффективно и восстанавливать сбросную энергию, чем определяется их важная роль в сохранении наших энергетических ресурсов.