Характеристики работы водяного теплового насоса в условиях образования льда на поверхности трубки испарителя

В настоящее время растёт интерес к нетрадиционным возобновляемым
источникам энергии [1‒4], обусловленный ростом цен на традиционные
энергоресурсы и стремлением к более эффективному их расходованию [5‒8]; а
также экологическими проблемами, связанными с выбросами вредных веществ,
образующихся при сжигании органического топлива [9‒14]. В состав дымовых
газов, как известно, входят оксиды азота, углерода, серы, полиароматические
углеводороды, в том числе бенз(а)пирен, зола, шлак и другие вредные вещества
[15].
В связи с этим внимание специалистов, как российских [9, 10, 16‒38], так и
зарубежных [39‒49], обращено на исследования и разработки перспективных и
экологически безопасных тепловых насосных установок (ТНУ), использующих
низкопотенциальную теплоту окружающей среды (воздух, вода, грунт) для
выработки тепловой энергии. Такие устройства позволяют использовать сбросную
теплоту сточных вод и естественных водоёмов [50].
Варьируя схемы ТНУ, источники низкопотенциальной теплоты, конструкции
контуров отбора, виды теплоносителей можно создавать экологически чистые
установки с высоким коэффициентом преобразования энергии и возможностью
регулирования тепловой мощности [51], расширенным диапазоном применения
тепловых насосов при низких температурах окружающей среды, а также с
организацией независимых технологических контуров с разными уровнями
необходимых потребителю температур.
Преимущества тепловых насосов в сравнении с традиционными
котельными ‒ их экологичность, а с электрической системой отопления ‒
экономическая эффективность [5‒8, 52]. Например, электрическая система
обогрева на 1 кВт затраченной электроэнергии вырабатывает 1 кВт теплоты, а
тепловой насос ‒ от 3 до 5 кВт и более тепловой энергии [21, 52]. На сегодняшний
день число ТНУ в мире измеряется миллионами и непрерывно растет [18].
Актуально применение ТНУ в России, большая часть территории которой
расположена в климатических условиях с продолжительностью отопительного
сезона не менее 8 месяцев в году [32]. Как правило, это регионы с относительно
невысокой плотностью населения, что вызывает проблемы при разработке и
реализации централизованных систем генерации, транспорта и распределения
тепловой энергии. В таких условиях расходуется больше топлива для обеспечения
нормативных показателей вследствие значительных потерь теплоты при ее
транспортировке удаленным потребителям [53, 54]. Возможным решением этой
проблемы является реализация эффективных локальных систем отопления в
удаленных объектах теплопотребления, использование тепловых насосов.
Применение тепловых насосов в суровых климатических условиях России
накладывает ряд ограничений по выбору источника низкопотенциальной теплоты.
Наиболее простая и, соответственно, экономически более выгодная в реализации
конструкция тепловых насосов с использованием теплоты окружающего воздуха
не эффективна ввиду критически низких температур в отопительный сезон.
Тепловые насосы, работающие от низкопотенциальной теплоты грунта и
грунтовых вод, требуют высоких капитальных затрат на организацию контура
отбора теплоты, проведение масштабных земляных работ. Вследствие этого срок
их окупаемости становится несоизмеримым по сравнению с полученной экономией
энергоресурсов. Наиболее рациональным и экономически оправданным для
условий российского климата является тип тепловых насосов, использующий
тепловую энергию открытых водных источников, широко распространенных на
территории страны. Температура воды в водоемах даже в зимний период подо
льдом, как правило, не опускается ниже 275 К [55, 56].
Однако эксплуатация теплового насоса с водяным контуром отбора теплоты
в зимний период имеет ряд особенностей. Для эффективного теплоотбора разница
между температурой воды в водоеме и хладагентом, циркулирующем в контуре
теплового насоса, должна быть не менее 5 К [57]. Температура хладагента не
должна опускаться ниже температуры кристаллизации воды, что приведет к
образованию льда на трубках испарителя. Эффективность теплообмена в таких
условиях существенно падает [58]. Кроме того, образование льда способствует
деформации трубок теплообменника. Но на основании проведенного анализа
литературы, можно сделать вывод, что до настоящего времени не проводились
систематические исследования работы тепловых насосов в условиях
кристаллизации воды на теплообменных поверхностях трубок испарителя.
В том числе:
а) не установлены закономерности процессов кристаллизации воды и таяния
льда на поверхностях трубок испарителя в процессе эксплуатации теплового насоса