microbik.ru
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Донецкий Национальный Технический Университет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

По курсу: «Альтернативные источники энергии» на тему:

«ЦИКЛ КАРНО И ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ»

Выполнил: ст. гр. ТП-06С

ЛИТВИНОВА Т.К.

Проверил: проф. КОСТЕНКО В.К.

Донецк 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………4

Цикл Карно………………………………………………………………5

Что такое тепловые насосы…………………………………………..…9

Преимущества тепловых насосов……………………………………...11

Типы устройств…………………………………………………………14

Заключение………………………….…………………………………..15

Список литературы……………………………………………………..16

РЕФЕРАТ

Индивидуальное задание содержит 16стр., 2 рис., 1 табл.

В данном индивидуальном задании рассмотрены такие вопросы, как цикл Карно и тепловые насосы. Представлена схема работы тепловых насосов, а также описание принципа действия теплонасосной установки. Проанализированы преимущества применения тепловых насосов, как альтернативного источника энергии. Также кратко осмотрены типы теплонасосных устройств.

ВВЕДЕНИЕ

Каждый человек мечтает о комфортном жилище: теплом зимой, и прохладном в жаркое время. Для этого люди научились использовать такие известные источники энергии как газ, уголь, нефть, торф, электроэнергию и т.д. Но невозобновляемые источники энергии рано или поздно закончатся. Также все актуальнее становится вопрос о негативной стороне использования энергоресурсов Земли, об экологической чистоте нашей планеты. В этих условиях все большее значение приобретают энергосберегающие технологии. Ныне работающие системы создания комфорта, как правило, используют именно невозобновляемые источники энергии. Резкое удорожание невозобновляемых источников энергии в Украине заставляет нас переосмыслить отношение к потреблению дешевого в прошлом природного топлива, в первую очередь – газа. Мы же рассмотрим геотермальные системы отопления и охлаждения наших жилищ. Сегодня использование геотермальной энергии – один из наиболее эффективных способов снизить уровень потребления угля, нефти, газа в Украине (не говоря о снижении уровня теплового загрязнения планеты) и предоставить людям эффективную и экономичную альтернативу традиционным системам жизнеобеспечения. Основная роль в этих технологиях отводится тепловым насосам.

По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2010 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов составит 75 процентов. В качестве первичных источников тепловой энергии будут использоваться речки, водоемы, артскважины и т. д. При использовании первичной воды из скважины (пробивается рядом с домом) коэффициент трансформации по установленной мощности с учетом мощности скважинного насоса будет около 3,5. Кроме получения относительно дешевой тепловой энергии, отпадает необходимость завоза обычных источников энергии.

Широчайшие возможности открывает установка тепловых насосов на Южном берегу Крыма. Это позволило бы обеспечить тепловой энергией санатории и дома отдыха, расположенные по побережью Черного моря. Большой интерес могут вызывать тепловые насосы «квартирного варианта». Их габариты меньше холодильника (диаметр 0,5 м и высота 1 м). При использовании для испарителя отработанной воды из ванны и после мытья посуды, коэффициент трансформации получится более шести. Около электростанций (в том числе и атомных) сбрасывается из конденсаторов турбин вода с температурой 30 °С в водоемы для ее охлаждения. Утилизация дешевой тепловой энергии и понижение температуры воды, подаваемой в конденсаторы турбин, будет одновременно повышать КПД турбинных установок.

ЦИКЛ КАРНО

В XVII в., когда закладывались основы современной науки, были созданы первые паровые машины, появилось много теорий о природе теплоты. Но все, существовавшие тогда, многочисленные концепции, не отображали сути. Все это требовало безотлагательного осмысления протекавших процессов, сопровождавшихся поглощением и выделением тепла, на основе каких-то общих принципов. Непростую задачу, требовавшую умения мыслить абстрактно, решил молодой французский артиллерийский инженер Никола Леонар Сади Карно. Изданная им книга называлась "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". То были действительно размышления, потому что Карно интересовало не устройство машин как механизмов, а "явление получения движения из тепла... с достаточно общей точки зрения... независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента".

Для начала Сади Карно собрал все известные к тому времени свойства теплоты, полученные из наблюдений, и скомпоновал их в виде двух положений:

  • тепло вещественно и количество его сохраняется;

  • теплород стремится восстановить равновесие, т. е. самопроизвольно тепло переходит только от нагретого тела к холодному.



При этом "возникновение движущей силы обязано... не действительной трате теплорода, но его переходу от горячего тела к холодному", и "повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы" (для получения движущей силы недостаточно иметь нагретое тело, необходимо иметь и холодное). Одной лишь разности температур также недостаточно, поскольку при непосредственном контакте тел движущая сила не возникает, просто выравнивается их температура. Движущая сила проявляет себя только тогда, когда изменение температуры сопровождается изменением объема.

По-видимому, Карно первым осознал, что если бы мир имел повсюду одинаковую температуру, то было бы невозможно превратить тепловую энергию в работу. Процессы, сопровождающиеся превращением работы в тепло, могут протекать в однородной по температуре среде (например, вследствие трения), но их нельзя повернуть в обратном направлении и получить затраченную работу "назад". Одним словом, для работы тепловой машины необходимы как минимум два устройства: "нагреватель" и "холодильник", обладающие неодинаковыми температурами. Названия устройств, отражают условность их наименований - ведь в большинстве случаев "холодильником" служит атмосферный воздух; впрочем, он же является "нагревателем" в холодильной машине.

Умозаключение Карно о необходимости двух сред с разными температурами для работы тепловой машины составляет содержание второго закона, принципа или начала термодинамики. Первым началом термодинамики является закон сохранения энергии, также известный Карно ("тепло вещественно и количество его сохраняется"). Поскольку указанный закон, хотя и в урезанном виде, был сформулирован раньше, да и вообще справедлив по отношению ко всем процессам, то он и именуется первым.

Итак, Карно обратил внимание на то, что полезную работу можно получить только при переходе тепла от тела более нагретого к телу менее нагретому, однако и от холодного тела к горячему передать тепло все же можно, но только затратив на это некоторую работу. К такому выводу он пришел, изучая изобретенный им круговой процесс, который теперь называют циклом Карно.

Прежде чем обратиться к обсуждению этого самого цикла, в котором заключена вся суть термодинамики, рассмотрим одну особенность теплоты, открытую Карно. Он считал теплоту субстанцией, веществом, а потому, рассуждая о ней, пользовался аналогией из механики: массивное тело, падая с некоторой высоты, совершает работу, равную произведению массы на ускорение свободного падения и на высоту. Теплота же, "падая" от более высокой температуры к более низкой, по мнению Карно также способна производить движущую силу, зависящую от количества теплорода и от разности температур. Но в отличие от массы здесь имеют место два нюанса:

  • теплота может и не производить движущую силу (перемещающаяся масса совершает работу всегда);

  • механическая работа зависит только от разницы высот, которую тело преодолевает (если считать начальную скорость равной нулю), а не от абсолютного положения высоты, с какой оно падает, ведь при изменении высоты на 1 м неважно, падает ли тело со стола или с крыши дома. Доля теплоты, преобразуемой в движущую силу, в ряде случаев зависит от начальной точки отсчета, т. е. далеко не одно и то же, происходит "падение" теплоты в тепловой машине от 11 до 10°С или от 99 до 98°С. Количество движущей силы в этих случаях получается разным. Так что аналогия аналогии рознь! И это тоже следует из цикла Карно.

Основная задача, которую решал Карно, формулируется так: выяснить, универсален ли процесс получения движущей силы из теплоты. Для этого ученому надо было ответить на три вопроса:

  • что является источником движущей силы в тепловой машине;

  • зависит ли эта сила от вида рабочего вещества;

  • каким образом можно добиться извлечения максимума движущей силы при равном количестве подводимой теплоты.

Технически движение из теплоты получают в тепловой машине, как правило, благодаря расширению водяного пара или какого-нибудь другого аналогичного процесса. Работает такая машина следующим образом. Сначала пар нагревают (подводят к нему тепло), а потом позволяют ему расширяться. Расширяясь, пар производит работу, например, толкая поршень, и одновременно охлаждается. Все - теплота перешла в работу. Но чтобы машина продолжала указанные действия, надо проделать одно из двух:

- удалить отработанный холодный пар, взять новую его порцию, нагреть, дать расшириться и снова удалить;

- сжать отработанную порцию пара, отдавая при этом часть полученного тепла холодильнику, вернуть пар в первоначальное состояние (которое характеризуется исходными значениями температуры, объема и давления), снова нагреть, дать расшириться и т. д.

Вообще говоря, годятся оба способа. Разница в том, что первый требует неограниченных ресурсов пара и возможности его удаления, а второй - наличия холодильника. Получается замкнутый (циклический) процесс, который может повторяться любое число раз. Однако полностью цикличен только второй способ, а при использовании первого рабочее же вещество в нем постоянно меняется. Но по результатам использования оба способа совершенно равноправны.

Эффективность цикла Карно определяется формулой

= (Q1 - Q3)/Q1.

Только эту относительную часть теплоты можно превратить в работу, и ничуть не больше! Величина называется также термическим коэффициентом полезного действия и зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Позднее на основе изложенных рассуждений Уильям Томсон и Рудольф Клаузиус ввели в арсенал науки понятия "абсолютная температура" и "энтропия" и создали классическую термодинамику.

Для цикла Карно термический к.п.д. определяется только разностью температур нагревателя и холодильника

= (Т1 - Т2)/Т1.

Цикл Карно - идеальная машина, и работа ее максимальна. Работа реальной машины со всевозможными потерями заведомо меньше.

Возможно, Карно сам выполнил бы всю работу до конца, если бы не ранняя смерть (в 36 лет). Интересно еще отметить, что у Карно приведенные рассуждения не сопровождались ни расчетами, ни графиками. Его книга была опубликована в 1824 г., но никакого резонанса не получила.

Лишь через десять лет, в 1834 г., другой француз, Эмиль Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид. Он ввел все необходимые обозначения, проделал описанные словами вычисления и построил диаграммы. Через три года статью Клапейрона перевели на английский язык и издали вАнглии в сборнике Scientific Memoirs ("Ученые записки"). А еще через девять лет на нее обратил внимание немецкий физик и издатель И.Х. Поггендорф, перепечатал в своем журнале Annalen der Physik und Chemie ("Анналы физики и химии"), и только тогда теория Карно действительно увидела свет.

ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Тепловые насосы или термотрансформаторы, это фреоновые или соле-водяные энергетические установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования переноса энергии тепла низкопотенциального источника к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве источника низкопотенциального тепла могут быть использованы промышленные и очищенные бытовые стоки, вода технологических циклов, тепло грунтовых, артезианских, термальных вод, воды рек, озер, морей, систем водо- и теплоснабжения, тепло, получаемое при очистке дымовых газов и любых других сбросных тепловых потоков. Тепловые насосы — это экологически чистые компактные установки.

Принцип действия теплового насоса основан на следующем цикличесчком процессе. По наружному трубопроводу циркуляционным насосом прокачивается рабочая жидкость, например смесь тосола и воды. После прохождения рабочей жидкости по трубопроводу она принимает температуру грунта (+7°С) и попадает в теплообменник. В теплообменнике, называемом испарителем, рабочая жидкость передает теплоту, полученную от грунта, хладагенту. Хладагент закипает, превращается в пар и попадает в компрессор. Рабочая жидкость же после прохождения теплообменника имеет температуру +2°С и вновь поступает в земляной трубопровод. Пар хладагента из испарителя сжимается компрессором до давления 20-25 атмосфер. При сжатии его температура повышается и достигает 55°С. В дальнейшем эта энергия может быть направлена через теплообменник на обогрев воздуха внутри помещений (фанкойл, радиатор и т.п.) или на подогрев воды в системе горячего водоснабжения. Основная доля электроэнергии расходуется на работу компрессора. Далее сжатый и разогретый хладагент попадает в конденсатор, в котором нагревает циркулирующую воду. На следующем этапе хладагент конденсируется и попадает в переохладитель, в котором его температура понижается. Затем он подается в терморегулирующий вентиль, в котором его температура понижается до температуры кипения. В составе влажного пара хладагент вновь поступает в испаритель, после чего цикл работы теплового насоса повторяется. Выпускаются насосы различной мощности, позволяющие отапливать и снабжать горячей водой как частные коттеджи площадью 100-300 м2, так и крупные общественные и административные здания.



Рис. 1- Приблизительная схема принципа работы теплового насоса.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Тепловой насос является закрытой системой и не имеет открытого контакта с ИНТ, благодаря чему обеспечивается экологическая безопасность всей системы. В западных странах тепловые насосы применяются уже давно и пользуются большим спросом. По прогнозам мирового энергетического комитета (МИРЭК), доля отопления и водоснабжения с помощью тепловых насосов в развитых странах будет постоянно увеличиваться. Тепловой насос - это:

  • Гарантия эффективности системы отопления, способной отбирать низкотемпературное тепло (для воздуха температура от –20 до +25°С, для жидкостей — от –5 до +25°С) и использовать его для получения высокопотенциального теплоносителя (50-65°С).

  • Экономичность. В процессе переноса тепла от ИНТ к ВПТ затрачивается электроэнергия на привод компрессора. На каждый затраченный киловатт электроэнергии в зависимости от выбранного источника тепловой энергии производится от 3 до 5 киловатт тепла — и это главное достоинство данной системы отопления! Все системы в установке функционируют с использованием замкнутых контуров циркуляции жидкостей и не требуют эксплуатационных затрат при длительном использовании. Поэтому затраты на отопление сводятся лишь к стоимости электроэнергии, необходимой для функционирования оборудования.

  • Компактность, надежность и удобство в применении. Тепловой насос надежен в работе. Колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Не требует специальной вентиляции помещений, где происходит нагрев воды и теплоносителя. Абсолютно взрыво- и пожаробезопасен.
    Тепловой насос компактен, его модуль по размерам не превышает обычный холодильник и благодаря прекрасной звукоизоляции практически бесшумен. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкции.

  • Работой теплового насоса управляют микропроцессорные системы автоматики. Задача автоматического управления заключается в температурном регулировании системы отопления, обеспечении оптимальных режимов функционирования всей системы оборудования, управлении вспомогательным оборудованием. Надежность и долговечность действия основных устройств и их систем управления обеспечивается бесконтактными коммутационными элементами. Программные средства автоматики учитывают особенности объектов и режимов отопления. Систему можно диагностировать на расстоянии и вносить корректировки посредством Интернета. Обслуживание установок состоит в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.

  • Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. не производится эмиссия CO2, NOx и других выбросов, приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Отсутствуют аллергено-опасные выбросы в помещение, поскольку в его системе нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты. Он безопасен для вашего здоровья и окружающей среды.

  • Долговечность. Система исключительно долговечна: срок эксплуатации грунтового зонда может достигать 100 - 150 лет, отопительного контура - 100 лет. Непосредственно в самой установке единственной движущей частью является компрессор, срок службы которого составляет 15 лет и который можно легко заменить по истечении срока эксплуатации.

  • Дизайн. Тепловой насос не нарушает целостность интерьера, концепцию фасада здания и занимает при этом минимум пространства.

  • При использовании тепловых насосов отсутствует необходимость в закупке, транспортировке и хранении топлива. Тем самым высвобождаются значительные территории, необходимые для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом. Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления на режим охлаждения: это позволяет в летнюю жару создать в помещении приятную прохладу.


Многообразие функций тепловых насосов обусловило широкую область их применения. Например в таких сферах:

  • в жилищно-коммунальном секторе для отопления и горячего водоснабжения;

  • в курортно-медицинских учреждениях для отопления, горячего водоснабжения и водных процедур;

  • в спортивно-оздоровительных заведениях для подогрева воды в бассейнах;

  • в ледовых дворцах, стадионах и манежах для отопления и производства хозяйственной воды;

  • на хладокомбинатах, молокозаводах, мясокомбинатах, овощехранилищах и других предприятиях, постоянно пользующихся холодильным оборудованием, для комплексного использования собственных теплоэнергоресурсов;

  • на промышленных предприятиях для утилизации тепла водооборотных систем (градирни и т.д.), технологических стоков с целью вторичного использования этого тепла для горячего водоснабжения, отопления и теплоснабжения;

  • в производстве, где необходимо охлаждение непрерывно работающего оборудования (трансформаторы, гальванические, литейные, стекольные производства и т.п.);

  • на ТЭЦ и ГЭС с целью комплексного использования сбрасываемой неиспользуемой тепловой энергии, а также в технологическом процессе.


Рынок тепловых насосных установок растет постоянно, и похоже, что эта тенденция сохранится, так как данные устройства замечательно подходят для работы в жилых помещениях и имеют существенные экономические преимущества.

ТИПЫ УСТРОЙСТВ


Геотермальный тепловой насос с открытым циклом (open loop)

 

Геотермальный тепловой насос с водоемным циклом (pond loop)

Тепловые насосы открытого цикла используют грунтовые воды как главный источник энергии. Теплоноситель подается непосредственно из водоема, и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно. При идеальных условиях, использование ТН с открытым циклом может быть наиболее экономичным типом геотермальной системы.

 

Тепловые насосы с закрытым водоемным циклом крайне экономичны, так как при установке используется доступный водоем, и отсутствуют затраты на земляные работы. Спирали труб просто помещаются на дно водоема.


Геотермальный тепловой насос с горизонтальным теплообменником (horizontal loop)

 

Геотермальный тепловой насос с вертикальным теплообменником (vertical loops)

Тепловые насосы с горизонтальным теплообменником рассматриваются лишь при наличии поверхности необходимой площади. Замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи, длина которых варьируется от 30 до 120 метров.

 

Замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Буровое оборудование используется для сверления отверстий малого диаметра на глубину 25-90 метров.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе деятельности homo sapiens при использовании традиционных видов энергии (уголь, нефть, газ и т.д.), расходуемой для производства продукции, в атмосферу и воду сбрасывается значительное количество сопутствующей тепловой энергии. Это низкотемпературное рассеянное тепло, так называемый вторичный источник тепла. Его запасы огромны, и существуют большие потенциальные возможности использования энергии, которая вокруг нас, в самых различных сферах деятельности человека. В качестве естественных возобновляемых источников мы рассмотрели тепловую энергию земли и подземных вод (грунтовых, артезианских), а также наружного воздуха. Наиболее удачным путем реализации этого громадного потенциала на благо человечества является применение тепловых насосов — принципиально новое, максимально эффективное решение проблемы теплоснабжения.

Как было сказано выше, тепловые насосы применяются во всем современном развитом мире. Такие страны, как Япония, США, Швеция, страны Европы и Америки, Чешская Республика, уже давно внедрили эти технологии и ежегодно выпускают миллионы теплонасосных установок.

Широчайшие возможности открывает установка тепловых насосов на Южном берегу Крыма. Это позволило бы обеспечить тепловой энергией санатории и дома отдыха, расположенные по побережью Черного моря. Большой интерес могут вызывать тепловые насосы «квартирного варианта». Их габариты меньше холодильника (диаметр 0,5 м и высота 1 м). При использовании для испарителя отработанной воды из ванны и после мытья посуды, коэффициент трансформации получится более шести. Около электростанций (в том числе и атомных) сбрасывается из конденсаторов турбин вода с температурой 30 °С в водоемы для ее охлаждения. Утилизация дешевой тепловой энергии и понижение температуры воды, подаваемой в конденсаторы турбин, будет одновременно повышать КПД турбинных установок.
В настоящее время тепловые насосы в Украине используются явно недостаточно. Учитывая общую тенденцию в мире по применению тепловых насосов и дефицита энергоресурсов в Украине, следует всячески поощрять внедрение тепловых насосов в нашей стране. От скорости внедрения этих новшеств зависят и экологические показатели, и новые рабочие места. Поэтому целесообразно вмешательство и помощь соответствующих государственных служб в этом вопросе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. www.5ballov.ru

  2. http://referat.ru/

  3. http://transgasindustry.kiev.ua/books/Potapov/20.html

  4. http://www.ecobuilding.com.ua/article3.html

  5. http://www.prolin.com.ua/

  6. http://www.zerkalo-nedeli.com/nn/show/558/50813/

  7. http://www.goodvin.net/tepnasos.htm