• Главная страница
• История
• Зарубежом
• СССР, Россия
• Принцип действия
• Классификация
• Источники энергии
• Библиотека
• Обратная связь

История >> Зарубежом

Первый умножитель тепла

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.

Как видно из рисунка 1, 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.

Первые тепловые насосы

В 1912 году в Швейцарии был выдан первый патент на тепловой насос. Но технология получила быстрое развитие лишь в 20-х 30-х годах, благодаря бурному росту производства холодильной техники. Тогда в Шотландии в 1927 была создана первая теплонаносная установка. Английский инженер Т. Холдэйн собрал ее в своем собственном доме (рис. 2).

В качестве ТН была использована холодильная машина с электроприводом в 5 кВт. В установке имелось два испарителя. Один испаритель был установлен вне помещения и потреблял теплоту наружного воздуха, а другой испаритель был погружен в бак с проточной водой, установленный внутри помещения. Оба испарителя (в зависимости от температуры наружного воздуха) могли работать как самостоятельно, так и параллельно. Вода для отопительной системы нагревалась в конденсаторе до 37,8°С, поэтому необходимо было увеличить поверхность нагревательных приборов. Для повышения температуры воды, идущей на хозяйственные нужды, до 55°С использовали электронагреватели. Летом ТНУ работала только ночью, запасая теплую воду для хозяйственных нужд в специальном резервуаре и одновременно вырабатывая лед. Коэффициент преобразования первой в мире ТНУ достигал 2?3.

В начале 30-х годов в США была сооружена вторая ТНУ. Она предназначалась для отопления и кондиционирования воздуха 13-этажного (объемом 107 тыс. м3) административного здания Южно-Калифорнийской компании ЌЭдисонџ. В ТНУ были включены четыре компрессора с электроприводами мощностью по 147 кВт каждый. Рабочим веществом служил хлорметан. Летом установка охлаждала здание, а зимой - отапливала. При низких температурах наружного воздуха система отопления дублировалась электронагревателями.

В дальнейшем опытные ТНУ стали сооружать не только в Великобрита­нии и США, но и в Швейцарии, Франции и Италии. В Швейцарии ТНУ широко применялись уже к концу 30-х годов. Этому способствовало наличие обильных водных ресурсов, которые позволили вырабатывать дешевую электроэнергию без топливных затрат. По тем временам теплопроизводительность ТНУ была довольно большой. Например, в 1937 г. в Цюрихе в здании ратуши была сооружена система отопления с ТНУ теплопроизводительностью 81,4 кВт.

Тепловые насосы в Англии

Первый английский тепловой насос для крупного здания объемом 14 200 м3 был установлен в Норвиче, его схема показана на рисунке 3. Источник тепла - речная вода. Температура подаваемой воды 50°С. Хладагентом была двуокись серы, коэффициент преобразования (КОП, СОР) 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 теплонасосная 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 "Rolls-Royce Merlin" 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 хладагента применен R12, 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 в два раза превысили затраты, необходимые при правильном выборе нагрузок.

Один из первых успешно работающих 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 затем 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 работала до конца 80-х годов.

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 на 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 была 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, выдаваемая эти тепловым насосом была выше, по сравнению с теплом от котельной, и ниже, по сравнению с тепловым насосом с электроприводом. Такое соотношение делало эту установку вполне конкурентно способной.

Тепловые насосы в США

Ранние проекты, выполненные в США, уже упоминались. В конце 40-х годов было установлено, что коммерческий успех будет выше, если выпускать Ќагрегированныеџ установки, полностью собранные на заводе-изготовитеЋле и встроенные в дома. В 1952 г. такие тепловые насосы поступиЋли на рынок в большом количестЋве. В первый год было выпущено 1000 агрегатов, в 1954 г. вдвое больше и в 1957 г. — в 10 раз больше. В 1963 г. было выпуЋщено уже 76000 агрегатов, приЋчем большинство из них установЋлено в южных штатах, где треЋбуется 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 выЋявился 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 (рис. 4). За период застоя производства были разработаны новые, более надежные агрегаты и, что более важно, изготовители помогли инженерам, устанавливающим и наблюдающим за агреЋгатами, лучше ознакомиться с ними. Было проведено несколько исследований надежности, а в 1974 г. Институт охлажЋдения и кондиционирования воздуха выдвинул программу аттестаЋции и классификации тепловых насосов по их назначению. Эта работа продолжается в настоящее время.

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

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 преЋвышает 2 млн.

К 2000-ому году с США насчитывалось уже более 50 крупных компаний, занимающихся производством тепловых насосов. К 2003 году общее количество ТНУ превысило 25 млн. единиц. Тепловые насосы перестали быть роскошью и устанавливаются в домах любых ценовых категорий.

При подготовке материала использовались следующие источники:

1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.
2. Процессы энергопереноса в тепловых насосах: Монография / Под ред. А. Жукаускаса; Литов. АН. Ин-т физ.-техн. проблем энергетики. – Вильнюс: Мокслас, 1990. – 186 с.