Экологичный и эффективный пропановый тепловой насос

4 сентября 2018 г.

от Общества Фраунгофера

Тепловые насосы используют энергию окружающей среды, чтобы обеспечить нас теплом. Однако для них обычно требуются синтетические хладагенты, которые содержат вредные для окружающей среды фторированные парниковые газы (F-газы). Исследователи Фраунгофера теперь внесли свой вклад в разработку теплового насоса, который вместо этого использует пропан. Насос более экологичен и более эффективен.

«Отопление и горячая вода составляют около 40 процентов конечного потребления энергии в Германии. Сжигание высококачественного ископаемого топлива, такого как природный газ или сырая нефть, не только не имеет смысла с энергетической точки зрения, но и вредит климату. Каждая единица электроэнергии, необходимая для работы "Тепловой насос, часто получаемый из возобновляемых источников, генерирует от трех до пяти единиц CO2-нейтральной тепловой энергии. Это делает тепловые насосы важным элементом в осуществлении перехода Германии к устойчивой энергетической системе", - говорит доктор Марек Миара, который координирует работу по тепловые насосы в Институте Фраунгофера систем солнечной энергии ISE во Фрайбурге.

Тепловой насос работает аналогично холодильнику. Хладагент поглощает тепло внутри холодильника и выводит его наружу. Разница в том, что тепло, которое свободно выходит из задней части холодильника, — это то, что тепловой насос извлекает — в данном случае из земли, грунтовых вод или окружающего воздуха — для обогрева наших домов или воды.

Для этого нагретый испаренный хладагент сжимается, что повышает его температуру и давление. Горячий газообразный хладагент отдает свое тепло воде и конденсируется. Теплая вода поступает в системы напольного отопления, радиаторы или резервуары для хранения горячей воды, а жидкий хладагент, уже остывший, возвращается в так называемый испаритель, где он снова поглощает тепловую энергию. Затем цикл начинается снова с самого начала.

По большей части хладагенты состоят из смеси синтетических веществ, содержащих экологически вредные фторированные парниковые газы (F-газы). В июне 2014 года Европейская комиссия объявила, что Ф-газы должны быть постепенно выведены с рынка. Одной из экологически чистых, натуральных альтернатив синтетическим хладагентам является пропан, который уже набирает популярность в системах кондиционирования и охлаждения. Но его использование в тепловых насосах все еще относительно новое.

Потому что, хотя пропан и обладает превосходными термодинамическими свойствами, он легко воспламеняется, и это создает проблемы при использовании в тепловом цикле.

«Если вы хотите использовать пропан, вам необходимо поддерживать как можно более низкий объем хладагента, чтобы минимизировать связанные с этим риски», — говорит доктор Лена Шнабель, возглавляющая отдел технологий отопления и охлаждения в Fraunhofer ISE.

Решение исследователей ISE и их европейских партнеров по исследованиям заключается в использовании очень компактных паяных ребристых теплообменников, которые хорошо работают с небольшими объемами жидкости. Тепловая энергия передается от одного текущего вещества к другому через теплообменники. Они состоят из множества параллельных каналов, содержащих циркулирующий хладагент, которые либо поглощают тепло (известные как «испарители»), либо излучают его («конденсаторы»). «Жидкость должна полностью испаряться или повторно конденсироваться по всей рабочей длине. Чтобы гарантировать их эффективную работу, соотношение пара и жидкости должно быть одинаковым во всех каналах. Как правило, этого нелегко добиться, и это становится особенно сложно, если вы также пытаясь ограничить объем хладагента».

Чтобы решить проблему, Шнабель и ее команда разработали распределитель с бионической структурой: «Обычные распределители Вентури выглядят как стопка спагетти, состоящая из множества тонких трубок, которые сливаются в месте соприкосновения с испарителем. Наш распределитель отличается: он имеет непрерывно разветвляющуюся трубку. структура, подобная ветвям и сучьям дерева, которые обеспечивают равномерное распределение хладагента по отдельным каналам испарителя даже при небольшом объеме хладагента». Такая структура позволяет оптимально использовать всю поверхность теплообменника, что повышает эффективность.