Centrali elettriche basate su pompe di calore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Introduzione

La fornitura di calore in Russia, con i suoi inverni lunghi e piuttosto rigidi, richiede costi di carburante molto elevati, che sono quasi 2 volte superiori ai costi di fornitura di energia elettrica. I principali svantaggi delle fonti tradizionali di fornitura di calore sono la bassa efficienza energetica (soprattutto nelle piccole caldaie), l'efficienza economica e ambientale (la fornitura di calore tradizionale è una delle principali fonti di inquinamento nelle grandi città). Inoltre, le elevate tariffe di trasporto per la fornitura di vettori energetici aggravano i fattori negativi inerenti alla fornitura di calore tradizionale.

È impossibile non tener conto di un grave inconveniente termodinamico come la bassa efficienza exergetica dell'utilizzo dell'energia chimica del combustibile per i sistemi di alimentazione del calore, che negli impianti di riscaldamento è del 6-10%.

Costi elevatissimi per le reti di calore, che sono probabilmente l'elemento più inaffidabile nei sistemi di teleriscaldamento. Il tasso di incidenti specifico per condotte con un diametro di 1400 mm è di un incidente all'anno per 1 km di lunghezza e per condotte di diametro inferiore - circa sei incidenti. Se si tiene conto del fatto che la lunghezza totale delle reti di riscaldamento in Russia è di 650mila km e 300mila km devono essere completamente sostituiti, diventa ovvio che la costruzione e la manutenzione delle reti di riscaldamento funzionanti richiedono costi commisurati al costo di centrali termiche o caldaie distrettuali.

Tutti i fattori negativi elencati della fornitura di calore tradizionale richiedono urgentemente l'uso intensivo di metodi non tradizionali.

Uno di questi metodi è l'uso vantaggioso del calore naturale dissipato a bassa temperatura (5-30°C) o del calore di scarto industriale per la fornitura di calore tramite pompe di calore.

Le pompe di calore, proprio per il fatto di essere risparmiate dalla maggior parte degli svantaggi elencati del teleriscaldamento, hanno trovato ampia applicazione all'estero, se nel 1980 si contavano circa 3 milioni di installazioni di pompe di calore negli USA, 0,5 milioni in Giappone, 0,15 in Occidente Europa, 1993 milioni, quindi nel 12 il numero totale di installazioni di pompe di calore (HPU) operative nei paesi sviluppati ha superato i 1 milioni e la produzione annua è superiore a 2020 milione.La produzione di massa di pompe di calore è stata stabilita in quasi tutti i paesi sviluppati. Secondo le previsioni del World Energy Committee, entro il 75 nei paesi avanzati la quota di riscaldamento e fornitura di acqua calda con l'ausilio delle pompe di calore sarà del XNUMX%.

Denominazioni di base, indici e abbreviazioni

Nota di quantità

• c - capacità termica, kJ / (kg? K);
• d è il contenuto di umidità del vapore acqueo nell'aria, kg/kg;
• G - portata massica, kg/s;
• H - calo di calore, J/kg, kJ/kg;
• h - entalpia, J/kg, kJ/kg;
• p - pressione, Pa, kPa;
• n - velocità, 1/c;
• N - potenza, W, kW, MW;
• q - consumo di calore specifico, J/J, kJ/kJ;
• Q - la quantità di calore, W, kW, MW;
• s - entropia, J/(kg K), J/(kg K);
• t - temperatura, °C;
• T - temperatura, K;
• v - volume specifico, m3/kg;
• x è il grado di secchezza del vapore;
• h - efficienza;
• h m - efficienza meccanica;
• p è il grado di aumento (diminuzione) della pressione;
• s è il fattore di conservazione della pressione.

Indici

• all'aria;
• vd - acqua;
• vl: bagnato;
• vn - interno;
• a - finale;
• cond - condensa;
• p - vapore;
• cm - miscela;
• cfr - medio;
• secco - secco;
• p - calcolato;
• s - saturazione;
• i - interno;
• 0 - iniziale; insediamento; nominale;
• g - liquido.

Abbreviazioni

• Efficienza - fattore di efficienza;
• HPP - unità a pompa di calore.

Principio di funzionamento della pompa di calore

Il principio di funzionamento di una pompa di calore deriva dai lavori di Carnot e dalla descrizione del ciclo di Carnot, pubblicata nella sua dissertazione nel 1824. Un pratico sistema di pompa di calore fu proposto da William Thomson (Lord Kelvin) nel 1852. per il riscaldamento. Nel giustificare la sua proposta, già allora, Thomson sottolineava che le limitate risorse energetiche non avrebbero consentito la combustione continua di combustibile nelle fornaci per il riscaldamento e che il suo moltiplicatore di calore avrebbe consumato meno combustibile rispetto alle fornaci convenzionali. La pompa di calore (HP) proposta da Thomson utilizzava l'aria come fluido di lavoro. L'aria ambiente veniva aspirata nel cilindro, espansa mentre si raffreddava, quindi fatta passare attraverso uno scambiatore di calore, dove veniva riscaldata dall'aria esterna. Dopo essere stata compressa alla pressione atmosferica, l'aria dal cilindro entra nella stanza riscaldata, essendo riscaldata a una temperatura superiore a quella ambiente. In effetti, una macchina simile è stata implementata in Svizzera. Thomson ha affermato che la sua HP è in grado di produrre il calore richiesto utilizzando solo il 3% dell'energia utilizzata per il riscaldamento.

Gli impianti a pompa di calore sono stati ulteriormente sviluppati solo negli anni '20 e '30 del XX secolo, quando in Inghilterra è stato realizzato il primo impianto progettato per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda utilizzando il calore dell'aria circostante. Successivamente sono iniziati i lavori negli Stati Uniti, che hanno portato alla realizzazione di diversi impianti dimostrativi.

Il primo grande impianto di pompe di calore in Europa fu messo in funzione a Zurigo nel 1938-1939. Utilizzava il calore dell'acqua del fiume, un compressore rotativo e un refrigerante. Forniva il riscaldamento del municipio con acqua alla temperatura di 60 C con una potenza di 175 kW. C'era un sistema di accumulo di calore con un riscaldatore elettrico per coprire il carico di punta. Durante i mesi estivi l'impianto funzionava per il raffrescamento. Nel periodo dal 1939 al 1945 furono creati altri 9 impianti di questo tipo per ridurre il consumo di carbone nel paese. Alcuni di loro operano con successo da oltre 30 anni.

Così, nel 1824, Carnot utilizzò per la prima volta il ciclo termodinamico per descrivere il processo, e questo ciclo rimane la base fondamentale per confrontarsi con esso e valutare l'efficienza di HP. Una pompa di calore può essere pensata come un motore termico invertito. Il motore termico riceve calore (Fig. 1.1.1) da una fonte ad alta temperatura e lo scarica a bassa temperatura, dando lavoro utile. Una pompa di calore richiede lavoro per generare calore a basse temperature e fornirlo a temperature più elevate.

Fig.1.1.1. Diagramma termodinamico di una pompa di calore e di un motore termico. 1 - pompa di calore; 2 - motore termico.

Si può dimostrare che se entrambe queste macchine sono reversibili (cioè i processi termodinamici non contengono calore o perdite di lavoro), allora c'è un limite finito all'efficienza di ciascuna di esse, e in entrambi i casi questo è il rapporto Qн/ W. Se così non fosse, allora sarebbe possibile costruire una macchina a moto perpetuo semplicemente collegando una macchina all'altra. Solo nel caso di un motore termico tale rapporto si scrive nella forma W/Qn e si chiama rendimento termico, mentre per una pompa di calore rimane nella forma Qn/W e si chiama coefficiente di conversione del calore (Kt).

Se assumiamo che il calore sia fornito isotermicamente a una temperatura TL e rimosso isotermicamente a una temperatura TH, e la compressione e l'espansione siano eseguite a entropia costante (Fig. 1.1.2), il lavoro è fornito da un motore esterno, quindi il coefficiente di conversione per il ciclo di Carnot sarà così: Кт = TL /( TN - TL ) + 1 = TN / ( TN - TL )

Ris.1.1.2

Pertanto, nessuna pompa di calore può avere prestazioni migliori e tutti i cicli pratici realizzano solo il desiderio di avvicinarsi il più possibile a questo limite.

Classificazione delle pompe di calore

Attualmente è stato creato e viene utilizzato un gran numero di impianti a pompa di calore, che differiscono per schemi termici, fluidi di lavoro e apparecchiature utilizzate. Secondo la designazione di varie classi di installazioni, nelle fonti letterarie a noi note non esiste un'unica opinione consolidata, ci sono varie designazioni e termini.

A questo proposito, la classificazione degli impianti è di grande importanza, il che consente di considerare le loro proprietà secondo l'uno o l'altro gruppo. Tutti i tipi di impianti a pompa di calore possono essere classificati in base a una serie di caratteristiche simili. Ciascuno di essi riflette un solo aspetto caratteristico dell'impianto, pertanto, nella definizione di un impianto a pompa di calore, possono essere presenti due o più elementi.

La classificazione degli impianti a pompa di calore dovrebbe essere effettuata principalmente in base ai loro cicli di funzionamento. Esistono diversi tipi principali di pompe di calore:

• pompe di calore a compressore d'aria;
• pompe di calore a compressione meccanica del vapore (ciclo di compressione del vapore);
• pompe di calore ad assorbimento;
• pompe di calore basate sull'utilizzo dell'effetto Rango;
• pompe di calore basate sull'utilizzo di un doppio ciclo Rankine;
• pompe di calore funzionanti con ciclo Stirling;
• pompe di calore funzionanti sul ciclo Brayton;
• pompe di calore termoelettriche.
• - pila a combustibile invertita;
• pompe di calore che utilizzano calore di fusione;
• pompe di calore ad effetto meccanochimico;
• pompe di calore ad effetto magnetocalorico.

Tutte le pompe di calore, secondo il principio dell'interazione dei corpi di lavoro, possono essere combinate in due gruppi principali: 1) ciclo aperto, in cui il corpo di lavoro viene prelevato e rilasciato nell'ambiente esterno; 2) un ciclo chiuso, in cui il fluido di lavoro si muove lungo un circuito chiuso, interagendo con la sorgente e il consumatore di calore solo attraverso lo scambio di calore in apparati di tipo superficiale.

Esistono HPI a uno e due stadi e in cascata, nonché HPI con connessione seriale di portatori di calore riscaldati e raffreddati con il loro movimento controcorrente.

Su appuntamento: fissi e mobili, per l'accumulo di energia termica e il suo trasporto e smaltimento del calore residuo.

Per prestazioni: grande, medio, piccolo.

Per regime di temperatura: alta temperatura, media temperatura e bassa temperatura.

Secondo la modalità di funzionamento: stazionario, non stazionario, continuo o ciclico, non stazionario con accumulatore di energia termica.

Per tipo di refrigerante: aria, ammoniaca, freon, su miscele di refrigeranti.

Per tipo di energia consumata: azionata da un motore elettrico o turbina a gas o turbina a gas, funzionante con risorse energetiche secondarie, ecc.

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