Тепловой насос

<час />

Фон

В результате растущей озабоченности общества экологическими проблемами и проблемами окружающей среды растет спрос на более эффективные способы использования тепла и энергии. Промышленность тепловых насосов использует технологические достижения, такие как круглогодичное отопление помещений, чтобы переместить тепловую энергию в более полезное место и цель. Эта концепция реализуется путем предоставления локализованного или перенаправленного тепла при обмене холодного и нагретого воздуха.

Принципы работы тепловых насосов на самом деле противоположны технологическим и термодинамическим принципам кондиционера. Большинство тепловых насосов дают дополнительное преимущество, обеспечивая как отопление зимой, так и охлаждение летом. Этого можно добиться, просто изменив направление потока рабочей жидкости, циркулирующей в змеевиках. Тепловой насос представляет собой целостную термодинамическую систему, посредством которой жидкая и / или газовая среда прокачивается через узел, где она меняет фазы в результате изменения давления. Несмотря на то, что установка системы с тепловым насосом относительно дорога, она обеспечивает более экономичный и эффективный способ регулирования температуры и повторного использования существующей тепловой энергии.

Сырье

При производстве тепловых насосов используются большие отливки из чугуна с деталями из нержавеющей стали и алюминиевые трубы. Отливки, используемые в насосе и двигателе, часто содержат небольшое количество никеля, молибдена и магния для улучшения механических и коррозионных характеристик отливки. В небольших тепловых насосах некоторые компоненты требуют использования легированной стали для снижения веса. В зависимости от того, какой тип рабочей жидкости используется (аммиак, вода или хлорфторуглероды), для трубопровода в системе теплового насоса может потребоваться коррозионно-стойкая нержавеющая сталь или алюминий. В системах, где стабильность термодинамических свойств более важна, медные трубки могут повысить эффективность. Кожухи, в которых размещается большинство компонентов теплового насоса, изготовлены из углеродистой листовой стали. Остальные трубопроводы, фитинги, клапаны и муфты изготовлены из нержавеющей стали.

Всем тепловым насосам требуется рабочая жидкость для передачи избыточной энергии от одного источника тепла к другому. Традиционно хлорфторуглероды (CFC) использовались в качестве рабочих жидкостей из-за их превосходных термодинамических свойств. Из-за вредного воздействия ХФУ на окружающую среду их производство постепенно прекращается. Вместо этого в системах тепловых насосов часто используются вода, углеводороды и аммиак, несмотря на их недостаточную эффективность в некоторых конструкциях тепловых насосов.

Дизайн

Все тепловые насосы имеют одинаковые основные компоненты. Эти компоненты состоят из насоса, конденсатора, испарителя и расширительного клапана. Несмотря на относительное сходство этих компонентов, конструкции тепловых насосов сильно различаются в зависимости от конкретного применения насоса. В двух основных конструкциях, сжатии пара и абсорбции, используются разные термодинамические принципы, но обе включают аналогичные компоненты и обеспечивают схожую эффективность системы.

Тепловые насосы демонстрируют удивительную универсальность в обеспечении как кондиционирования воздуха, так и отопления в одной и той же системе, просто меняя направление потока рабочей жидкости на противоположное. В связи с этим тепловые насосы устраняют необходимость в двойных системах для поддержания заданной температуры. Однако это будет дорого, поскольку требует системы, способной перекачивать в обоих направлениях. В чрезвычайно неблагоприятном климате тепловые насосы теряют часть своей эффективности и могут потребоваться дополнительные источники тепла. Это дополнительное тепло может поступать от воды, нагреваемой геотермальным способом, или от электрических нагревателей.

В типичном режиме работы теплового насоса рабочая жидкость используется для получения тепла от источника, расположенного рядом с испарителем. В испарителе жидкость испаряется в пар низкого давления. При входе в насос пар сжимается до высокого давления и поступает в конденсатор, который возвращает пар в жидкость и в конечном итоге отдает накопленное тепло желаемому источнику. Затем расширительный клапан позволяет системе вернуться в жидкое состояние с низким давлением, и цикл начинается снова.

Производственный
процесс

Насос обычно приобретается в виде готового агрегата и устанавливается в систему путем интеграции с компонентами муфты и трубопроводов. Насос, разработанный для конкретных размеров и требований к жидкости в системе, может быть доставлен, в зависимости от его размера, непосредственно на место установки. Обычно это происходит с большими коммерческими тепловыми насосами, которые поставляют тепло и / или охлаждение офисным зданиям. В моделях для жилых помещений меньшего размера насос может быть установлен в сборку, включающую конденсатор, испаритель и различные трубопроводы. Эти блоки, заключенные в коробку из листового металла, будут состоять из различных узлов для конденсатора и испарителя, чтобы каждый компонент был прикреплен болтами к коробке или друг к другу. Некоторые из используемых кронштейнов образуют основу агрегата, где насос будет прикреплен болтами к металлическому поддону и подключен к двигателю переменного тока.

Оболочки

• 1 Корпусные элементы, собранные из нескольких разных листов металла, разрезаются на ножницы до нужного размера на пресс-ножницах. После того, как они нарезаны до нужных размеров, в металле пробиваются небольшие монтажные отверстия с помощью пробивного пресса с ЧПУ. Эти пробивные прессы имеют либо подвижный стол для перемещения листового металла, либо подвижную матрицу, которая может пробивать отверстия в различных точках металла. Пробивные прессы часто направляют туда, где пробивать, с помощью программы автоматизированного проектирования (САПР). Перфораторы различной формы хранятся внутри машины, что дает ему возможность пробивать все необходимые отверстия, просто изменяя компьютерную программу.
• 2 После штамповки лист перемещается на листогибочный пресс с числовым программным управлением (NC), где он будет изгибаться в различных формах и конфигурациях. Листогибочный пресс сгибает металл в различные формы с помощью штампов или инструментов. В отличие от пробивного пресса с ЧПУ, листогибочный пресс требует ручной смены инструмента для выполнения другого изгиба. Затем лист готов к сварке, приклепкам или болтам к другим листам и кронштейнам. После сборки эти листы обеспечивают большую часть устойчивости автономных устройств.

Конденсатор и испаритель

• 3 Конденсатор и испаритель состоят из множества маленьких тонких медных или алюминиевых трубок, которые сгибаются вокруг изогнутых матриц с помощью трубогибочных машин. Трубогибочные станки с ЧПУ будут запрограммированы на обеспечение одинакового точного изгиба каждой из труб, что позволит их укладывать одна на другую. Эти трубы затем будут прикреплены к пластинам или ребрам, через которые будут проходить трубы, и соединены посредством расширительной или стыковой сварки. Это создает герметичную систему. Узел из труб и пластин будет действовать как теплообменник, позволяя рабочей жидкости проходить через систему внутри трубок, отдавая тепло в конденсаторе другой текучей среде, проходящей между пластинами и получая тепло, отдаваемое через трубки. .
• 4 Для обеспечения прочности или соединения компонентов небольшие кронштейны вырубают из низкоуглеродистой стали. Кронштейны обычно вырубают из стального рулона, который сначала непрерывно подается через разматыватель. После разматывания его разрезают, сгибают и формуют за один непрерывный процесс. Это делается с помощью прогрессивной конфигурации матрицы, при которой кронштейн остается прикрепленным к катушке при ее перемещении от станции к станция. Каждая станция добавляет что-то к кронштейну, либо отверстие, либо выемку, и отправляет это на следующую станцию, пока, наконец, не оторвется от катушки. Этот процесс может быть передан на аутсорсинг поставщикам, которые специализируются на операциях прогрессивных штампов или трансферных прессов, и могут обеспечить лучший контроль над затратами.

Трубки

• 5 Изготовлено и изогнуто больше трубок, чтобы обеспечить оставшуюся часть труб, необходимых для соединения насоса с конденсатором и испарителем. Используются различные фитинги и соединительные элементы. Расширительный клапан, который находится внутри некоторых трубопроводов, является еще одним компонентом, приобретаемым как единое целое. Расширительный клапан представляет собой конструкцию, которая обеспечивает расширение рабочей жидкости и соединение труб меньшего диаметра с трубкой большего диаметра. В небольших жилых помещениях клапан находится внутри основного блока, в то время как в более крупных коммерческих блоках он может быть установлен на месте в системе трубопроводов.

Покраска / покрытие

• 6 Компоненты, узлы, кронштейны и / или пластины окрашены или окрашены порошковой краской для обеспечения устойчивости к коррозии. Однако перед покраской некоторые детали обрабатываются специальным растворителем для удаления жира или масла, оставшихся после производственных операций. Обычно это делается путем погружения деталей в большие емкости, наполненные растворителем, с последующей их сушкой в ​​специальной печи. Некоторые детали, которые специально покрыты цинком, никелем или хромом, будут пропущены через кислотную ванну перед погружением в резервуары с раствором для покрытия. После очистки детали вручную загружаются в лотки или подвешиваются на специально разработанные стойки и подаются в окрасочную камеру. Краска наносится из распылителя краски под давлением, который распыляет краску в каждую щель.

Упаковка

• 7 После прохождения тщательных проверок тепловой насос отправляется в упаковку, где система упаковывается в коробки и отправляется на место установки.

Установка

• 8 Обычно тепловые насосы устанавливаются на строительной площадке. Компрессор и испаритель будут построены из массивных труб диаметром 3 дюйма (7,5 см) и будут иметь камеры большего размера, в которых рабочая жидкость будет менять фазы. Сам насос будет прикручен к бетонной площадке и подключен с большим двигателем постоянного тока или генератором природного газа. Фитинги и клапаны будут отправлены и установлены в систему трубопроводов, при этом они будут поддерживаться скобами и скобами, прикрепленными к существующим стенам. Эти установки сопряжены со значительными инженерными проблемами и часто требуют сотрудничества между подрядчиком и производителем теплового насоса.

Контроль качества

Каждый компонент, приобретаемый у внешнего поставщика, обычно перед сборкой проверяется на соответствие размерам. Другие компоненты будут проверяться во время их изготовления, чтобы гарантировать качество. Окончательная сборка будет затем испытана путем заполнения ее соответствующей рабочей жидкостью и подключения системы к источнику питания для включения насоса. Измеряя с помощью датчиков или переключателей уровни температуры и давления жидкости на разных этапах, конечную систему можно проверить на соответствие заранее определенным критериям.

Будущее

С ростом затрат на энергию возрастет потребность в эффективных тепловых насосах. Высокая первоначальная стоимость будет полностью возвращена по мере снижения общего энергопотребления. Универсальный тепловой насос принесет пользу организациям, которые стремятся больше узнавать о новых технологических разработках. По мере совершенствования технологии тепловой насос в конечном итоге будет производить более экономичное отопление и охлаждение. Разработка продукта вызовет конкуренцию между отраслями, что приведет к снижению высоких производственных затрат. Технологии рабочих жидкостей будут продолжать развиваться благодаря нескольким экспериментальным исследованиям, призванным удовлетворить будущие экологические проблемы.