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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Centrales eléctricas basadas en bombas de calor. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía introducción El suministro de calor en Rusia, con sus inviernos largos y bastante severos, requiere unos costes de combustible muy elevados, que son casi el doble que el coste del suministro de electricidad. Las principales desventajas de las fuentes tradicionales de suministro de calor son el bajo consumo de energía (especialmente en pequeñas salas de calderas), la eficiencia económica y ambiental (el suministro de calor tradicional es una de las principales fuentes de contaminación en las grandes ciudades). Además, las elevadas tarifas de transporte para la entrega de recursos energéticos agravan los factores negativos inherentes al suministro de calor tradicional. No se puede dejar de tener en cuenta una desventaja termodinámica tan grave como la baja eficiencia exergética del uso de energía de combustible químico para los sistemas de suministro de calor, que en los sistemas de calefacción es del 6 al 10%. Los costes de las redes de calefacción, que probablemente sean el elemento menos fiable de los sistemas de calefacción urbana, son extremadamente elevados. La tasa de accidentes específica para tuberías con un diámetro de 1400 mm es de un accidente por año por 1 km de longitud, y para tuberías de menor diámetro, alrededor de seis accidentes. Si consideramos que la longitud total de las redes de calefacción en Rusia es de 650 mil km, y 300 mil km necesitan reemplazo completo, resulta obvio que la construcción y el mantenimiento de redes de calefacción en condiciones de funcionamiento requieren costos acordes con el costo de las centrales térmicas o Salas de calderas del distrito. Todos los factores negativos enumerados del suministro de calor tradicional requieren urgentemente el uso intensivo de métodos no tradicionales. Uno de esos métodos es el uso beneficioso del calor natural difuso de baja temperatura (5-30 °C) o del calor industrial residual para calentar mediante bombas de calor. Las bombas de calor, debido a que están libres de la mayoría de las desventajas enumeradas del suministro de calor centralizado, han encontrado un uso generalizado en el extranjero, si en 1980 había alrededor de 3 millones de instalaciones de bombas de calor en los EE. UU., 0,5 millones en Japón, 0,15 en Europa occidental, 1993 millones, luego, en 12, el número total de unidades de bomba de calor (HPU) en funcionamiento en los países desarrollados superó los 1 millones y la producción anual es de más de 2020 millón. La producción en masa de bombas de calor se ha establecido en casi todos los países desarrollados. . Según las previsiones del Comité Mundial de Energía, en 75 en los países avanzados la proporción de calefacción y suministro de agua caliente mediante bombas de calor será del XNUMX%. Designaciones básicas, índices y abreviaturas notación de cantidad
Índices
Abreviaturas
Principio de funcionamiento de la bomba de calor El principio de funcionamiento de una bomba de calor se deriva de los trabajos de Carnot y la descripción del ciclo de Carnot, publicado en su disertación en 1824. William Thomson (Lord Kelvin) propuso un sistema práctico de bomba de calor en 1852. fines de calefacción. Al justificar su propuesta, incluso entonces, Thomson señaló que los recursos energéticos limitados no permitirían la quema continua de combustible en los hornos para calefacción y que su multiplicador de calor consumiría menos combustible que los hornos convencionales. La bomba de calor (HP) propuesta por Thomson usaba aire como fluido de trabajo. El aire ambiental fue succionado por el cilindro, se expandió a medida que se enfriaba y luego pasó a través de un intercambiador de calor donde fue calentado por el aire exterior. Después de ser comprimido a la presión atmosférica, el aire del cilindro ingresa a la habitación calentada y se calienta a una temperatura superior a la ambiente. De hecho, en Suiza se implementó una máquina similar. Thomson afirmó que su HP es capaz de producir el calor requerido utilizando solo el 3% de la energía utilizada para calefacción. Las instalaciones de bomba de calor se desarrollaron aún más solo en los años 20 y 30 del siglo XX, cuando se creó en Inglaterra la primera instalación diseñada para el suministro de calefacción y agua caliente utilizando el calor del aire circundante. Después de eso, comenzó el trabajo en los EE. UU., lo que llevó a la creación de varias plantas de demostración. La primera gran planta de bombas de calor de Europa se puso en funcionamiento en Zurich en 1938-1939. Utilizó el calor del agua del río, un compresor rotativo y refrigerante. Calefaccionó el ayuntamiento con agua a una temperatura de 60 C y una potencia de 175 kW. Había un sistema de almacenamiento de calor con un calentador eléctrico para cubrir las cargas punta. Durante los meses de verano, la unidad funcionaba para refrigeración. Entre 1939 y 1945 se crearon 9 instalaciones similares más para reducir el consumo de carbón en el país. Algunos de ellos han trabajado con éxito durante más de 30 años. Entonces, en 1824, Carnot utilizó por primera vez el ciclo termodinámico para describir el proceso, y este ciclo sigue siendo la base fundamental para compararlo y evaluar la eficiencia de HP. Una bomba de calor se puede considerar como un motor térmico invertido. La máquina térmica recibe calor (Fig. 1.1.1) de una fuente de alta temperatura y lo descarga a baja temperatura, lo que genera un trabajo útil. Una bomba de calor requiere trabajo para generar calor a bajas temperaturas y entregarlo a temperaturas más altas.
Se puede demostrar que si ambas máquinas son reversibles (es decir, los procesos termodinámicos no contienen pérdidas de calor o trabajo), entonces existe un límite finito para la eficiencia de cada una de ellas, y en ambos casos esta es la relación Qn/ w Si esto no fuera así, sería posible construir una máquina de movimiento perpetuo simplemente conectando una máquina a otra. Solo en el caso de un motor térmico, esta relación se expresa en la forma W/Qn y se denomina eficiencia térmica, mientras que para una bomba de calor se mantiene en la forma Qn/W y se denomina coeficiente de conversión de calor (Kt). Si suponemos que el calor se suministra isotérmicamente a la temperatura TL y se elimina isotérmicamente a la temperatura TH, y la compresión y expansión se llevan a cabo con entropía constante (Fig. 1.1.2), el trabajo se suministra desde un motor externo, entonces el coeficiente de conversión para el El ciclo de Carnot será: Kt = TL /( TN - TL) + 1 = TN / (TN - TL)
Por tanto, ninguna bomba de calor puede tener un rendimiento mejor y todos los ciclos prácticos sólo cumplen el deseo de acercarse lo más posible a este límite. Clasificación de las bombas de calor Actualmente se han creado y están en funcionamiento un gran número de instalaciones de bombas de calor, diferenciándose en los circuitos térmicos, fluidos de trabajo y equipos utilizados. En cuanto a la designación de diversas clases de actitudes, en las fuentes literarias que conocemos no existe una opinión única establecida, se encuentran varias designaciones y términos. En este sentido, cobra importancia la clasificación de las instalaciones, permitiendo considerar sus propiedades de acuerdo con uno u otro grupo. Todos los tipos de instalaciones de bombas de calor se pueden clasificar según una serie de características similares. Cada una de ellas refleja únicamente un rasgo característico de la instalación, por lo que la definición de instalación de bomba de calor puede contener dos o más características. La clasificación de las instalaciones de bombas de calor debe realizarse principalmente en función de sus ciclos de funcionamiento. Existen varios tipos principales de bombas de calor:
Todas las bombas de calor, basadas en el principio de interacción de los fluidos de trabajo, se pueden combinar en dos grupos principales: 1) ciclo abierto, en el que el fluido de trabajo se toma y se libera al ambiente externo; 2) ciclo cerrado, en el que el fluido de trabajo se mueve a lo largo de un circuito cerrado, interactuando con la fuente y el consumidor de calor solo a través del intercambio de calor en dispositivos de superficie. Hay HPI de una y dos etapas y en cascada, así como HPI con una conexión en serie de refrigerantes calentados y enfriados con movimiento a contracorriente. Finalidad: estacionaria y móvil, para la acumulación de energía térmica y su transporte y aprovechamiento del calor residual. Por rendimiento: grande, mediano, pequeño. Por régimen de temperatura: temperatura alta, temperatura media y temperatura baja. Por modo de funcionamiento: estacionario, no estacionario, continuo o cíclico, no estacionario con almacenamiento de energía térmica. Por tipo de refrigerante: aire, amoniaco, freón, mezclas de refrigerantes. Por tipo de energía consumida: impulsada por motor eléctrico o turbina de gas, o impulsada por turbina de gas, alimentada por recursos energéticos secundarios, etc.
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