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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kraftwerke auf Basis von Wärmepumpen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Einführung Die Wärmeversorgung in Russland mit seinen langen und recht strengen Wintern erfordert sehr hohe Brennstoffkosten, die fast doppelt so hoch sind wie die Kosten der Stromversorgung. Die Hauptnachteile traditioneller Wärmeversorgungsquellen sind geringer Energieverbrauch (insbesondere in kleinen Kesselhäusern), wirtschaftliche und ökologische Effizienz (traditionelle Wärmeversorgung ist eine der Hauptverschmutzungsquellen in Großstädten). Darüber hinaus verschärfen hohe Transporttarife für die Lieferung von Energieressourcen die negativen Faktoren der traditionellen Wärmeversorgung. Ein so gravierender thermodynamischer Nachteil ist nicht zu übersehen, wie der geringe Exergiewirkungsgrad der Nutzung chemischer Brennstoffenergie für Wärmeversorgungssysteme, der in Heizsystemen 6-10 % beträgt. Die Kosten für Wärmenetze, die wohl das unzuverlässigste Element in Fernwärmesystemen sind, sind extrem hoch. Die spezifische Unfallrate für Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 1400 mm beträgt einen Unfall pro Jahr und 1 km Länge, für Rohre mit kleinerem Durchmesser etwa sechs Unfälle. Wenn man bedenkt, dass die Gesamtlänge der Wärmenetze in Russland 650 km beträgt und 300 km komplett ersetzt werden müssen, wird deutlich, dass der Bau und die Wartung funktionsfähiger Wärmenetze Kosten erfordern, die den Kosten von Wärmekraftwerken bzw. Wärmekraftwerken entsprechen Bezirkskesselhäuser. Alle aufgeführten negativen Faktoren der traditionellen Wärmeversorgung erfordern dringend den intensiven Einsatz nicht-traditioneller Methoden. Eine dieser Methoden ist die vorteilhafte Nutzung diffuser Niedertemperatur-Naturwärme (5–30 °C) oder industrieller Abwärme zum Heizen durch Wärmepumpen. Wärmepumpen haben aufgrund der Tatsache, dass sie die meisten der aufgeführten Nachteile einer zentralen Wärmeversorgung nicht aufweisen, im Ausland weit verbreitete Verwendung gefunden, wenn es 1980 in den USA etwa 3 Millionen Wärmepumpenanlagen gab, in Japan 0,5 Millionen, in Japan 0,15 Millionen Westeuropa, 1993 Millionen, 12 überstieg die Gesamtzahl der in Betrieb befindlichen Wärmepumpeneinheiten (HPU) in den entwickelten Ländern 1 Millionen, und die Jahresproduktion beträgt mehr als 2020 Million. Die Massenproduktion von Wärmepumpen wurde in fast allen entwickelten Ländern etabliert . Nach der Prognose des Weltenergiekomitees wird der Anteil der Heizungs- und Warmwasserbereitung mittels Wärmepumpen bis 75 in den Industrieländern XNUMX % betragen. Grundlegende Bezeichnungen, Indizes und Abkürzungen Mengennotation
Indizes
Abkürzungen
Funktionsprinzip der Wärmepumpe Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe ergibt sich aus der Arbeit von Carnot und der Beschreibung des Carnot-Zyklus, die 1824 in seiner Dissertation veröffentlicht wurde. Ein praktisches Wärmepumpensystem wurde 1852 von William Thomson (Lord Kelvin) vorgeschlagen. Es wurde Wärme genannt Multiplikator und zeigte, wie eine Kältemaschine effektiv zu Heizzwecken eingesetzt werden kann. Zur Begründung seines Vorschlags wies Thomson schon damals darauf hin, dass die begrenzten Energieressourcen eine kontinuierliche Verbrennung von Brennstoff in Heizöfen nicht ermöglichen würden und dass sein Wärmemultiplikator weniger Brennstoff verbrauchen würde als herkömmliche Öfen. Die von Thomson vorgeschlagene Wärmepumpe (HP) verwendete Luft als Arbeitsmedium. Umgebungsluft wurde in den Zylinder gesaugt, entspannt und abgekühlt und dann durch einen Wärmetauscher geleitet, wo sie durch Außenluft erwärmt wurde. Nach der Komprimierung auf Atmosphärendruck gelangt die Luft aus dem Zylinder in den beheizten Raum und wird auf eine Temperatur über der Umgebungstemperatur erhitzt. Tatsächlich wurde eine ähnliche Maschine in der Schweiz verkauft. Thomson gab an, dass sein HP in der Lage sei, die erforderliche Wärme mit nur 3 % der für die Heizung aufgewendeten Energie bereitzustellen. Eine Weiterentwicklung der Wärmepumpenanlagen erfolgte erst in den 20er und 30er Jahren des 20. Jahrhunderts, als in England die erste Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung unter Nutzung der Wärme der Umgebungsluft entstand. Danach begannen die Arbeiten in den USA, die zur Errichtung mehrerer Demonstrationsanlagen führten. Die erste große Wärmepumpenanlage Europas wurde 1938–1939 in Zürich in Betrieb genommen. Es nutzte die Wärme von Flusswasser, einen Rotationskompressor und Kältemittel. Es versorgte das Rathaus mit 60 °C warmem Wasser und einer Leistung von 175 kW. Zur Abdeckung von Spitzenlasten gab es einen Wärmespeicher mit Elektroheizung. Während der Sommermonate diente das Gerät zur Kühlung. Zwischen 1939 und 1945 wurden neun weitere ähnliche Anlagen errichtet, um den Kohleverbrauch im Land zu senken. Einige von ihnen arbeiten seit mehr als 9 Jahren erfolgreich. Daher verwendete Carnot 1824 erstmals den thermodynamischen Zyklus zur Beschreibung des Prozesses, und dieser Zyklus bleibt die grundlegende Grundlage für den Vergleich damit und die Bewertung der Effizienz von HP. Eine Wärmepumpe kann man sich als umgekehrte Wärmekraftmaschine vorstellen. Eine Wärmekraftmaschine empfängt Wärme (Abb. 1.1.1) von einer Hochtemperaturquelle und gibt sie bei niedriger Temperatur ab, wodurch nützliche Arbeit geleistet wird. Eine Wärmepumpe benötigt Arbeit, um bei niedrigen Temperaturen Wärme zu erzeugen und bei höheren Temperaturen abzugeben.
Es kann gezeigt werden, dass es, wenn beide Maschinen reversibel sind (d. h. thermodynamische Prozesse beinhalten keine Wärme- oder Arbeitsverluste), eine endliche Grenze für den Wirkungsgrad jeder von ihnen gibt, und in beiden Fällen ist dies das Verhältnis Qí/W. Wäre dies nicht der Fall, wäre es möglich, ein Perpetuum Mobile zu bauen, indem man einfach eine Maschine mit einer anderen verbindet. Nur bei einer Wärmekraftmaschine wird dieses Verhältnis in der Form W/Qn geschrieben und als thermischer Wirkungsgrad bezeichnet. Bei einer Wärmepumpe bleibt es in der Form Qn/W und wird als Wärmeumwandlungskoeffizient (Kt) bezeichnet. Wenn wir davon ausgehen, dass Wärme bei der Temperatur TL isotherm zugeführt und bei der Temperatur TH isotherm abgeführt wird und Kompression und Expansion bei konstanter Entropie erfolgen (Abb. 1.1.2), Arbeit von einem externen Motor geliefert wird, dann ist der Umwandlungskoeffizient für Der Carnot-Zyklus lautet: Kt = TL /( TN - TL) + 1 = TN / (TN - TL)
Daher kann keine Wärmepumpe eine bessere Leistung erbringen, und alle praktischen Kreisläufe verwirklichen nur den Wunsch, dieser Grenze möglichst nahe zu kommen. Klassifizierung von Wärmepumpen Derzeit ist eine große Anzahl von Wärmepumpenanlagen entstanden und in Betrieb, die sich in Wärmekreisläufen, Arbeitsflüssigkeiten und verwendeten Geräten unterscheiden. Bezüglich der Bezeichnung verschiedener Geisteshaltungen gibt es in den uns bekannten literarischen Quellen keine einheitliche Meinung, es finden sich unterschiedliche Bezeichnungen und Begriffe. In diesem Zusammenhang kommt der Klassifizierung von Anlagen eine wichtige Rolle zu, die eine Betrachtung ihrer Eigenschaften entsprechend der einen oder anderen Gruppe ermöglicht. Alle Arten von Wärmepumpenanlagen können nach einer Reihe ähnlicher Merkmale klassifiziert werden. Jeder von ihnen spiegelt nur ein charakteristisches Merkmal der Anlage wider, sodass die Definition einer Wärmepumpenanlage zwei oder mehr Merkmale enthalten kann. Die Klassifizierung von Wärmepumpenanlagen sollte in erster Linie nach ihren Betriebszyklen erfolgen. Es gibt verschiedene Haupttypen von Wärmepumpen:
Alle Wärmepumpen können nach dem Prinzip der Wechselwirkung von Arbeitsflüssigkeiten in zwei Hauptgruppen zusammengefasst werden: 1) offener Kreislauf, bei dem die Arbeitsflüssigkeit entnommen und an die äußere Umgebung abgegeben wird; 2) geschlossener Kreislauf, in dem sich das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf bewegt und nur durch Wärmeaustausch in Oberflächengeräten mit der Wärmequelle und dem Wärmeverbraucher interagiert. Es gibt ein- und zweistufige und kaskadierte HPIs sowie HPIs mit einer Reihenschaltung von erwärmten und gekühlten Kühlmitteln mit Gegenstrombewegung. Einsatzzweck: stationär und mobil, zur Speicherung thermischer Energie und deren Transport und Nutzung von Abwärme. Nach Leistung: groß, mittel, klein. Nach Temperaturregime: hohe Temperatur, mittlere Temperatur und niedrige Temperatur. Nach Betriebsart: stationär, instationär, kontinuierlich oder zyklisch, instationär mit thermischer Energiespeicherung. Nach Art des Kältemittels: Luft, Ammoniak, Freon, Kältemittelmischungen. Nach Art der verbrauchten Energie: angetrieben durch einen Elektromotor oder eine Gasturbine oder angetrieben durch eine Gasturbine, angetrieben durch sekundäre Energiequellen usw.
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