Pam Haba - Untuk Pemanasan Kita Mengambil Haba Dari Planet Bumi

Isi kandungan:

Pam Haba - Untuk Pemanasan Kita Mengambil Haba Dari Planet Bumi
Pam Haba - Untuk Pemanasan Kita Mengambil Haba Dari Planet Bumi

Video: Pam Haba - Untuk Pemanasan Kita Mengambil Haba Dari Planet Bumi

Video: Pam Haba - Untuk Pemanasan Kita Mengambil Haba Dari Planet Bumi
Video: T2 BAB 9.2 PENGALIRAN HABA DAN KESEIMBANGAN TERMA 2024, Mac
Anonim
  • Sejarah pam haba
  • Reka bentuk dan prinsip operasi pam haba
  • Jenis pengumpul haba untuk pam haba
  • Pada penghujungnya
Pam haba - untuk pemanasan kita mengambil haba dari planet Bumi
Pam haba - untuk pemanasan kita mengambil haba dari planet Bumi

Dengan tujuan untuk mengalahkan kesejukan musim sejuk, pemilik rumah mencari tenaga dan dandang pemanasan yang sesuai, iri dengan orang-orang yang bernasib baik yang mempunyai saluran bekalan gas asli ke rumah mereka. Setiap musim sejuk, ribuan tan kayu, arang batu, produk minyak dibakar di dalam tungku, elektrik megawatt digunakan untuk jumlah astronomi yang meningkat setiap tahun, dan nampaknya tidak ada jalan keluar lain. Sementara itu, satu sumber tenaga haba yang berterusan selalu berada di dekat rumah kita, namun agak sukar bagi penduduk Bumi untuk memerhatikannya dalam kapasiti ini. Tetapi bagaimana jika kita menggunakan haba planet kita untuk memanaskan rumah? Dan ada alat yang sesuai untuk ini - pam haba panas bumi.

Sejarah pam haba

Pembuktian teori operasi alat tersebut pada tahun 1824 diberikan oleh ahli fizik Perancis Sadi Carnot, yang menerbitkan satu-satunya karya pada mesin wap, yang menggambarkan kitaran termodinamik, yang disahkan secara matematik dan grafik 10 tahun kemudian oleh ahli fizik Benoit Cliperon dan disebut "kitaran Carnot".

Model makmal pertama pam haba dibuat oleh ahli fizik Inggeris William Thomson, Lord Kelvin pada tahun 1852, semasa eksperimennya dalam termodinamik. By the way, pam panas mendapat namanya dari Lord Kelvin.

William Thomson, Baron Kelvin
William Thomson, Baron Kelvin

William Thomson, Baron Kelvin

Model pam haba industri dibina pada tahun 1856 oleh jurutera perlombongan Austria, Peter von Rittinger, yang menggunakan alat ini untuk menguap air garam dan mengalirkan rawa garam untuk mengekstrak garam kering.

Peter Ritter von Rittinger
Peter Ritter von Rittinger

Peter Ritter von Rittinger

Walau bagaimanapun, pam panas berhutang penggunaannya di rumah pemanasan kepada pencipta Amerika Robert Webber, yang bereksperimen dengan penyejuk beku pada akhir 40-an abad yang lalu. Robert menyedari bahawa paip yang keluar dari peti sejuk masih panas dan memutuskan untuk menggunakan haba ini untuk keperluan domestik dengan memanjangkan paip dan menyebarkannya melalui dandang dengan air. Idea penemu ternyata berjaya - sejak saat itu, isi rumah mempunyai banyak air panas, sementara sebahagian dari panas dihabiskan tanpa tujuan, meninggalkan suasana. Webber tidak dapat menerimanya dan menambahkan gegelung ke outlet dari peti sejuk, di sebelahnya dia meletakkan kipas, mengakibatkan pemasangan pemanas udara rumah. Selepas beberapa ketika, orang Amerika yang pandai mencari tahubahawa mungkin untuk mengeluarkan haba secara harfiah dari tanah di bawah kakinya dan dikebumikan pada kedalaman tertentu sistem paip tembaga dengan freon beredar melaluinya. Gas itu mengumpulkan haba di dalam tanah, mengirimkannya ke rumah dan memberikannya, dan kemudian kembali ke pemungut haba bawah tanah. Pam haba yang dibuat oleh Webber ternyata sangat berkesan sehingga dia menukar pemanasan rumah sepenuhnya ke pemasangan ini, meninggalkan peralatan pemanasan tradisional dan pembawa tenaga.

Pam haba, yang diciptakan oleh Robert Webber, selama bertahun-tahun dianggap agak tidak masuk akal daripada sumber tenaga haba yang benar-benar cekap - tenaga minyak banyak, dengan harga yang cukup berpatutan. Minat terhadap sumber haba yang boleh diperbaharui meningkat pada awal 70-an, berkat embargo minyak tahun 1973, di mana negara-negara Teluk sebulat suara menolak untuk membekalkan minyak ke Amerika Syarikat dan Eropah. Kekurangan produk petroleum menyebabkan lonjakan harga tenaga yang mendadak - keperluan mendesak untuk keluar dari keadaan. Walaupun pengangkatan embargo berikutnya pada tahun 1975 dan pemulihan bekalan minyak, pengeluar Eropah dan Amerika telah menghadapi pengembangan model pam haba panas bumi mereka sendiri, permintaan yang mapan hanya berkembang sejak itu.

Reka bentuk dan prinsip operasi pam haba

Semasa kita tenggelam ke dalam kerak bumi, di permukaan tempat kita tinggal dan ketebalannya di darat sekitar 50-80 km, suhunya meningkat - ini disebabkan oleh jarak dekat lapisan atas magma, suhunya sekitar 1300 ° C. Pada kedalaman 3 meter atau lebih, suhu tanah positif pada bila-bila masa sepanjang tahun; dengan kedalaman setiap kilometer, suhu rata-rata 3-10 ° С meningkat. Kenaikan suhu tanah dengan kedalamannya tidak hanya bergantung pada zon iklim, tetapi juga pada geologi tanah, dan juga aktiviti endogen di kawasan tertentu di Bumi. Sebagai contoh, di bahagian selatan benua Afrika, kenaikan suhu setiap kilometer kedalaman tanah adalah 8 ° С, dan di negeri Oregon (AS), di wilayah yang mana terdapat aktiviti endogen yang cukup tinggi - 150 ° С per kilometer kedalaman. Walau bagaimanapun, untuk pengoperasian pam haba yang cekap, litar luaran yang membekalkan haba tidak perlu dikebumikan beratus-ratus meter di bawah tanah - mana-mana medium dengan suhu di atas 0 ° C boleh menjadi sumber tenaga haba.

Pam haba memindahkan tenaga haba dari udara, air atau tanah, meningkatkan suhu semasa pemindahan ke suhu yang diperlukan kerana pemampatan (mampatan) bahan pendingin. Terdapat dua jenis pam haba utama - pemampatan dan penyerapan.

Pam haba buat sendiri untuk pemanasan rumah
Pam haba buat sendiri untuk pemanasan rumah

Struktur asas pam haba mampatan: 1 - tanah; 2 - peredaran air garam; 3 - pam edaran; 4 - penyejat; 5 - pemampat; 6 - kapasitor; 7 - sistem pemanasan; 8 - penyejuk; 9 - tercekik

Walaupun nama yang membingungkan, pam panas pemampatan bukan alat pemanasan, tetapi alat penyejuk, kerana ia beroperasi dengan prinsip yang sama seperti peti sejuk atau penghawa dingin. Perbezaan antara pam panas dan unit penyejukan yang terkenal kepada kita adalah bahawa, sebagai peraturan, diperlukan dua litar untuk pengoperasiannya - satu dalaman, di mana pendingin beredar, dan satu luaran, dengan peredaran penyejuk.

Semasa operasi peranti ini, bahan pendingin dalam litar dalaman melalui peringkat berikut:

  • penyejuk yang disejukkan dalam keadaan cecair memasuki penyejat melalui bukaan kapilari. Di bawah pengaruh penurunan tekanan yang cepat, bahan pendingin menguap dan berubah menjadi keadaan gas. Bergerak di sepanjang tiub melengkung penyejat dan bersentuhan dalam proses pergerakan dengan pembawa haba gas atau cecair, penyejuk menerima tenaga haba suhu rendah darinya, setelah itu memasuki pemampat;
  • di ruang pemampat, bahan pendingin dimampatkan, sementara tekanannya meningkat dengan mendadak, yang menyebabkan kenaikan suhu bahan pendingin;
  • dari pemampat, bahan pendingin panas mengikuti litar ke gegelung kondensor, yang bertindak sebagai penukar haba - di sini bahan pendingin mengeluarkan haba (sekitar 80-130 ° C) kepada penyejuk yang beredar di litar pemanasan rumah. Setelah kehilangan sebahagian besar tenaga haba, bahan pendingin kembali ke keadaan cair;
  • semasa melalui injap pengembangan (kapilari) - ia terletak di litar dalaman pam haba, mengikuti penukar haba - tekanan sisa dalam bahan pendingin berkurang, selepas itu memasuki penyejat. Dari saat ini, kitaran kerja diulang lagi.
Peranti pam haba udara
Peranti pam haba udara

Prinsip kerja pam haba udara

Oleh itu, struktur dalaman pam haba terdiri daripada kapilari (injap pengembangan), penyejat, pemampat dan pemeluwap. Pengoperasian pemampat dikendalikan oleh termostat elektronik, yang memutuskan bekalan kuasa ke pemampat dan dengan itu menghentikan proses menghasilkan haba apabila suhu udara yang ditetapkan di rumah tercapai. Apabila suhu turun di bawah tahap tertentu, termostat secara automatik menghidupkan pemampat.

Freon R-134a atau R-600a beredar sebagai bahan pendingin di litar dalaman pam haba - yang pertama berdasarkan tetrafluoroetana, yang kedua berdasarkan isobutana. Kedua-dua bahan pendingin ini selamat untuk lapisan ozon Bumi dan mesra alam. Pam haba mampatan boleh digerakkan oleh motor elektrik atau mesin pembakaran dalaman.

Pam haba penyerapan menggunakan penyerapan - proses fizikokimia, di mana gas atau cecair meningkat dalam jumlah kerana cecair lain di bawah pengaruh suhu dan tekanan.

Gambarajah skema pam haba penyerapan
Gambarajah skema pam haba penyerapan

Gambarajah skema pam haba penyerapan: 1 - air yang dipanaskan; 2 - air yang disejukkan; 3 - wap pemanasan; 4 - air yang dipanaskan; 5 - penyejat; 6 - penjana; 7 - kapasitor; 8 - gas tidak terkondensasi; 9 - pam vakum; 10 - pemanasan kondensat wap; 11 - penukar haba larutan; 12 - pemisah gas; 13 - penyerap; 14 - pam mortar; 15 - pam penyejuk

Pam haba penyerapan dilengkapi dengan pemampat haba gas asli. Di litar mereka ada pendingin (biasanya amonia), yang menguap pada suhu dan tekanan rendah, sambil menyerap tenaga termal dari lingkungan sekitar rangkaian sirkulasi. Dalam keadaan wap, penyejuk memasuki penyerap penukar haba, di mana, dengan adanya pelarut (biasanya air), ia diserap dan haba dipindahkan ke pelarut. Pelarut dibekalkan menggunakan termosyphon yang beredar melalui perbezaan tekanan antara bahan pendingin dan pelarut, atau pam tenaga rendah pada pemasangan berkapasiti tinggi.

Akibat menggabungkan bahan pendingin dan pelarut, yang takat didihnya berbeza, haba yang dibekalkan oleh bahan pendingin menyebabkan keduanya menguap. Bahan pendingin dalam keadaan wap, mempunyai suhu dan tekanan tinggi, memasuki kondensor melalui litar, berubah menjadi keadaan cair dan mengeluarkan haba kepada penukar haba rangkaian pemanasan. Setelah melalui injap pengembangan, bahan pendingin kembali ke keadaan termodinamik semula jadi, dan pelarut kembali ke keadaan asalnya dengan cara yang sama.

Kelebihan pam haba penyerapan adalah keupayaan untuk beroperasi dari mana-mana sumber tenaga terma dan ketiadaan unsur-unsur bergerak sepenuhnya, iaitu, tidak bersuara. Kekurangan - kurang daya, berbanding unit pemampatan, kos tinggi kerana kerumitan reka bentuk dan keperluan menggunakan bahan tahan kakisan yang sukar diproses.

Unit pam haba penyerapan
Unit pam haba penyerapan

Unit pam haba penyerapan

Pam haba penjerapan menggunakan bahan pepejal seperti silika gel, karbon aktif atau zeolit. Semasa peringkat operasi pertama, yang disebut fasa desorpsi, tenaga haba dibekalkan ke ruang penukar haba, yang dilapisi dari dalam dengan penyerap, dari pembakar gas, misalnya. Pemanasan menyebabkan pengewapan bahan pendingin (air), wap yang dihasilkan dihantar ke penukar haba kedua, yang pada fasa pertama melepaskan haba yang diperoleh semasa pemeluwapan wap ke sistem pemanasan. Pengeringan lengkap sorben dan penyelesaian pemeluwapan air di penukar haba kedua melengkapkan peringkat pertama kerja - bekalan tenaga terma ke ruang penukar haba pertama berhenti. Pada peringkat kedua, penukar haba air pekat menjadi penyejat, memberikan tenaga haba ke bahan pendingin dari persekitaran luaran. Hasil daripada nisbah tekanan mencapai 0.6 kPa,apabila sentuhan haba dari persekitaran luaran, penyejuk menyejat - wap air memasuki penukar haba pertama, di mana ia diserap ke dalam penyerap. Haba yang dikeluarkan oleh wap semasa proses penjerapan dipindahkan ke sistem pemanasan, selepas itu kitaran diulang. Harus diingat bahawa pam panas penjerapan tidak sesuai untuk kegunaan domestik - hanya ditujukan untuk bangunan besar (dari 400 m2), model yang kurang berkuasa masih dalam pembangunan.

Jenis pengumpul haba untuk pam haba

Sumber tenaga haba untuk pam haba boleh berbeza - panas bumi (jenis tertutup dan terbuka), udara, menggunakan haba sekunder. Mari pertimbangkan setiap sumber ini dengan lebih terperinci.

Pam haba sumber tanah menggunakan tenaga haba dari tanah atau air bawah tanah dan dibahagikan kepada dua jenis - tertutup dan terbuka. Sumber haba tertutup dibahagikan kepada:

Mendatar, sementara pemungut yang mengumpulkan haba terletak di gelang atau zigzag di parit dengan kedalaman 1.3 meter atau lebih (di bawah kedalaman pembekuan). Kaedah meletakkan litar pengumpul haba ini berkesan untuk kawasan tanah yang kecil

Pemanasan panas bumi dengan pengumpul haba mendatar
Pemanasan panas bumi dengan pengumpul haba mendatar

Pemanasan panas bumi dengan pengumpul haba mendatar

Vertikal, iaitu pengumpul pemungut haba diletakkan di telaga menegak yang direndam di dalam tanah hingga kedalaman 200 m. Kaedah meletakkan pemungut ini digunakan dalam kes di mana tidak mungkin meletakkan kontur secara mendatar atau ada ancaman mengganggu pemandangan

Pemanasan panas bumi dengan pemungut haba menegak
Pemanasan panas bumi dengan pemungut haba menegak

Pemanasan panas bumi dengan pemungut haba menegak

Air, sementara pemungut litar terletak secara zigzag atau annular di bahagian bawah takungan, di bawah tahap pembekuannya. Berbanding dengan penggerudian sumur, kaedah ini adalah yang paling murah, tetapi bergantung pada kedalaman dan jumlah isipadu air di takungan, bergantung pada wilayahnya

Dalam pam haba jenis terbuka, air digunakan untuk pertukaran haba, yang, setelah melewati pam panas, dibuang kembali ke tanah. Adalah mungkin untuk menggunakan kaedah ini hanya jika airnya bersih secara kimia dan jika penggunaan air bawah tanah dalam peranan ini dapat diterima dari sudut undang-undang.

Pemanasan panas bumi jenis terbuka
Pemanasan panas bumi jenis terbuka

Pemanasan panas bumi jenis terbuka

Oleh itu, dalam litar udara, udara digunakan sebagai sumber tenaga terma.

Pemanasan dengan pam haba udara
Pemanasan dengan pam haba udara

Pemanasan dengan pam haba udara

Sumber haba sekunder (derivatif) digunakan, sebagai peraturan, di perusahaan, kitaran operasi yang berkaitan dengan penjanaan tenaga panas pihak ketiga (parasit) yang memerlukan penggunaan tambahan.

Model pertama pam haba sama dengan reka bentuk yang dijelaskan di atas, yang diciptakan oleh Robert Webber - paip tembaga litar, yang bertindak serentak sebagai luaran dan dalaman, dengan bahan pendingin yang beredar di dalamnya, direndam di dalam tanah. Penyejat dalam reka bentuk sedemikian terletak di bawah tanah pada kedalaman melebihi kedalaman pembekuan atau di telaga bersudut atau menegak yang dibor pada sudut (diameter 40 hingga 60 mm) hingga kedalaman 15 hingga 30 m. Litar pertukaran langsung (ia menerima nama ini) membolehkannya diletakkan di atas kawasan kecil dan semasa menggunakan paip berdiameter kecil, lakukan tanpa penukar haba perantaraan. Pertukaran langsung tidak memerlukan pam penyejuk secara paksa, kerana tidak memerlukan pam edaran, maka lebih sedikit elektrik dibelanjakan. Selain itu,Pam haba dengan litar pertukaran langsung dapat digunakan dengan berkesan walaupun pada suhu rendah - objek apa pun mengeluarkan haba jika suhunya melebihi sifar mutlak (-273.15 ° C), dan bahan pendingin boleh menguap pada suhu hingga -40 ° C. Kekurangan litar ini: keperluan penyejuk besar; kos paip tembaga yang tinggi; sambungan bahagian tembaga yang boleh dipercayai hanya boleh dilakukan dengan pematerian, jika tidak, kebocoran bahan pendingin tidak dapat dielakkan; keperluan perlindungan katodik di tanah berasid.jika tidak, kebocoran bahan pendingin tidak dapat dielakkan; keperluan perlindungan katodik di tanah berasid.jika tidak, kebocoran bahan pendingin tidak dapat dielakkan; keperluan perlindungan katodik di tanah berasid.

Pengambilan haba dari udara sangat sesuai untuk iklim panas, kerana pada suhu di bawah sifar kecekapannya akan menurun dengan serius, yang memerlukan sumber pemanasan tambahan. Kelebihan pam haba udara adalah bahawa tidak perlu pengeboran telaga yang mahal, kerana litar luaran dengan penyejat dan kipas terletak di kawasan yang tidak jauh dari rumah. By the way, mana-mana sistem penyaman udara monoblock atau split adalah wakil dari pam haba udara litar tunggal. Kos pam haba udara dengan kapasiti, misalnya, 24 kW adalah sekitar 163,000 rubel.

Pam haba sumber udara
Pam haba sumber udara

Pam haba sumber udara

Tenaga haba dari takungan diekstrak dengan meletakkan litar yang terbuat dari paip plastik di dasar sungai atau tasik. Kedalaman meletakkan dari 2 meter, paip ditekan ke bawah dengan beban pada kadar 5 kg per meter panjang. Kira-kira 30 W tenaga haba diekstrak dari setiap meter litar litar seperti itu, iaitu, pam haba 10 kW memerlukan litar dengan panjang keseluruhan 300 m. Kelebihan litar seperti itu adalah kos dan kemudahan pemasangan yang agak rendah, keburukannya - dalam keadaan beku yang teruk, mustahil untuk mendapatkan tenaga terma …

Meletakkan litar pam haba di takungan
Meletakkan litar pam haba di takungan

Meletakkan litar pam haba di takungan

Untuk mengeluarkan haba dari tanah, gelung paip PVC diletakkan di dalam lubang, digali ke kedalaman melebihi kedalaman pembekuan sekurang-kurangnya setengah meter. Jarak antara paip hendaklah sekitar 1.5 m, penyejuk yang beredar di dalamnya adalah antibeku (biasanya air garam). Pengoperasian kontur tanah yang berkesan secara langsung berkaitan dengan kandungan kelembapan tanah pada titik penempatannya - jika tanah berpasir, iaitu tidak dapat menahan air, maka panjang konturnya mestilah dua kali ganda. Pam haba dapat mengekstrak tenaga termal rata-rata 30 hingga 60 W dari meter arus kontur tanah, bergantung pada zon iklim dan jenis tanah. Pam haba 10 kW memerlukan litar 400 meter, diletakkan di tapak seluas 400 m 2. Kos pam haba dengan litar tanah adalah sekitar 500,000 rubel.

Meletakkan litar pam haba mendatar
Meletakkan litar pam haba mendatar

Meletakkan kontur mendatar di tanah

Memulihkan haba dari batu memerlukan peletakan telaga dengan diameter 168 hingga 324 mm hingga kedalaman 100 meter, atau pelaksanaan beberapa telaga dengan kedalaman yang lebih dangkal. Kontur diturunkan ke dalam setiap telaga, yang terdiri daripada dua paip plastik yang dihubungkan pada titik terendah oleh paip berbentuk U logam yang bertindak sebagai berat. Antibeku beredar melalui paip - hanya larutan etil alkohol 30%, kerana jika berlaku kebocoran, ia tidak akan membahayakan alam sekitar. Sumur dengan kontur yang dipasang di dalamnya akhirnya akan dipenuhi dengan air bawah tanah, yang akan membekalkan haba kepada penyejuk. Setiap meter telaga seperti itu akan memberikan sekitar 50 W tenaga haba, iaitu, untuk pam haba 10 kW, perlu menggerudi 170 m telaga. Untuk mendapatkan lebih banyak tenaga haba, tidak menguntungkan menggerudi telaga lebih dalam daripada 200 m - lebih baik menggerudi beberapa telaga yang lebih kecil pada jarak 15–20 m di antara keduanya. Semakin besar diameter lubang bor, semakin dangkal ia perlu digerudi, sementara pada masa yang sama pengambilan tenaga haba yang lebih besar dicapai - sekitar 600 W per meter berjalan.

Penyelidikan panas bumi
Penyelidikan panas bumi

Pemasangan probe panas bumi

Dibandingkan dengan kontur yang terletak di tanah atau di takungan, kontur di telaga memerlukan ruang minimum di lokasi, sumur itu sendiri dapat dibuat di semua jenis tanah, termasuk batu. Pemindahan haba dari litar telaga akan stabil pada bila-bila masa sepanjang tahun dan dalam cuaca apa pun. Walau bagaimanapun, pembayaran balik pam panas akan memakan masa beberapa dekad, kerana pemasangannya akan menelan belanja lebih dari satu juta rubel kepada pemilik rumah.

Pada penghujungnya

Kelebihan pam haba adalah kecekapan tinggi mereka, kerana unit ini menggunakan tidak lebih daripada 350 watt elektrik per jam untuk mendapatkan satu kilowatt tenaga haba per jam. Sebagai perbandingan, kecekapan loji jana yang menghasilkan elektrik dengan membakar bahan bakar tidak melebihi 50%. Sistem pam panas berfungsi dalam mod automatik, kos operasi semasa penggunaannya sangat rendah - hanya elektrik yang diperlukan untuk mengendalikan pemampat dan pam. Dimensi keseluruhan unit pam panas kira-kira sama dengan peti sejuk isi rumah, tahap kebisingan semasa operasi juga bertepatan dengan parameter yang sama dari unit penyejukan isi rumah.

Pam haba "air garam"
Pam haba "air garam"

Pam haba "air garam"

Pam haba dapat digunakan baik untuk mendapatkan tenaga termal maupun untuk menghilangkannya - dengan mengalihkan operasi litar ke penyejukan, sementara tenaga haba dari premis rumah akan dikeluarkan melalui litar luaran ke dalam tanah, air atau udara.

Satu-satunya kelemahan sistem pemanasan berasaskan pam panas adalah kosnya yang tinggi. Di Eropah, dan juga di Amerika Syarikat dan Jepun, pemasangan pam haba adalah perkara biasa - di Sweden terdapat lebih daripada setengah juta, dan di Jepun dan Amerika Syarikat (terutamanya di Oregon) - beberapa juta. Populariti pam haba di negara-negara ini disebabkan oleh sokongan mereka dari program pemerintah dalam bentuk subsidi dan pampasan kepada pemilik rumah yang telah memasang pemasangan tersebut.

Tidak ada keraguan bahawa dalam masa terdekat pam haba akan berhenti menjadi sesuatu yang luar biasa di Rusia juga, memandangkan pertumbuhan tahunan harga gas asli, yang hari ini adalah satu-satunya pesaing untuk pam haba dari segi kos kewangan untuk mendapatkan haba.

Disyorkan: