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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Centrais eléctricas baseadas em bombas de calor. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Introdução O fornecimento de calor na Rússia, com seus invernos longos e bastante rigorosos, exige custos de combustível muito elevados, que são quase 2 vezes superiores ao custo do fornecimento de eletricidade. As principais desvantagens das fontes tradicionais de fornecimento de calor são o baixo consumo de energia (especialmente em pequenas caldeiras), a eficiência económica e ambiental (o fornecimento tradicional de calor é uma das principais fontes de poluição nas grandes cidades). Além disso, as elevadas tarifas de transporte para o fornecimento de recursos energéticos agravam os factores negativos inerentes ao fornecimento de calor tradicional. Não se pode deixar de levar em conta uma desvantagem termodinâmica tão grave como a baixa eficiência exergética do uso de energia de combustível químico para sistemas de fornecimento de calor, que em sistemas de aquecimento é de 6 a 10%. Os custos das redes de aquecimento, que são provavelmente o elemento menos fiável dos sistemas de aquecimento urbano, são extremamente elevados. A taxa específica de acidentes para dutos com diâmetro de 1400 mm é de um acidente por ano por 1 km de extensão, e para dutos de menor diâmetro - cerca de seis acidentes. Se considerarmos que a extensão total das redes de aquecimento na Rússia é de 650 mil km, e 300 mil km precisam de substituição completa, torna-se óbvio que a construção e manutenção de redes de aquecimento em condições de funcionamento exigem custos proporcionais ao custo das usinas termelétricas ou caldeiras distritais. Todos os fatores negativos listados do fornecimento de calor tradicional exigem urgentemente o uso intensivo de métodos não tradicionais. Um desses métodos é a utilização benéfica de calor natural difuso de baixa temperatura (5-30°C) ou calor industrial residual para aquecimento através de bombas de calor. As bombas de calor, por estarem isentas da maioria das desvantagens listadas do fornecimento de calor centralizado, encontraram ampla utilização no exterior, se em 1980 havia cerca de 3 milhões de instalações de bombas de calor nos EUA, 0,5 milhões no Japão, 0,15 em Europa Ocidental, 1993 milhões, então em 12 o número total de unidades de bomba de calor em funcionamento (HPU) nos países desenvolvidos ultrapassou 1 milhões e a produção anual é superior a 2020 milhão. A produção em massa de bombas de calor foi estabelecida em quase todos os países desenvolvidos . De acordo com a previsão do Comité Mundial de Energia, até 75 nos países avançados a percentagem de aquecimento e abastecimento de água quente através de bombas de calor será de XNUMX%. Designações básicas, índices e abreviaturas Notação de quantidade
Índices
Abreviaturas
Princípio de funcionamento da bomba de calor O princípio de funcionamento de uma bomba de calor decorre dos trabalhos de Carnot e da descrição do ciclo de Carnot, publicada em sua dissertação em 1824. Um sistema prático de bomba de calor foi proposto por William Thomson (Lord Kelvin) em 1852. fins de aquecimento. Ao justificar sua proposta, ainda assim, Thomson apontava que os limitados recursos energéticos não permitiriam a queima contínua de combustível em fornos para aquecimento e que seu multiplicador de calor consumiria menos combustível que os fornos convencionais. A bomba de calor (HP) proposta por Thomson usava ar como fluido de trabalho. O ar ambiente era sugado para dentro do cilindro, expandia-se à medida que esfriava e depois passava por um trocador de calor, onde era aquecido pelo ar externo. Após ser comprimido à pressão atmosférica, o ar do cilindro entra na sala aquecida, sendo aquecido a uma temperatura acima da ambiente. De fato, uma máquina semelhante foi implementada na Suíça. Thomson afirmou que seu HP é capaz de produzir o calor necessário usando apenas 3% da energia usada para aquecimento. As instalações de bombas de calor foram desenvolvidas apenas nas décadas de 20 e 30 do século XX, quando a primeira instalação projetada para aquecimento e abastecimento de água quente usando o calor do ar circundante foi criada na Inglaterra. Depois disso, os trabalhos começaram nos EUA, levando à criação de várias plantas de demonstração. A primeira grande fábrica de bombas de calor da Europa entrou em operação em Zurique em 1938-1939. Utilizava o calor da água do rio, um compressor rotativo e refrigerante. Forneceu aquecimento à Câmara Municipal com água à temperatura de 60 C e potência de 175 kW. Havia um sistema de armazenamento de calor com aquecedor elétrico para cobrir picos de carga. Durante os meses de verão, a unidade funcionou para resfriamento. Entre 1939 e 1945, foram criadas mais 9 instalações semelhantes com o objetivo de reduzir o consumo de carvão no país. Alguns deles trabalharam com sucesso por mais de 30 anos. Então, em 1824, Carnot usou pela primeira vez o ciclo termodinâmico para descrever o processo, e esse ciclo continua sendo a base fundamental para comparar com ele e avaliar a eficiência do HP. Uma bomba de calor pode ser considerada como um motor térmico invertido. A máquina térmica recebe calor (Fig. 1.1.1) de uma fonte de alta temperatura e o descarrega em baixa temperatura, gerando trabalho útil. Uma bomba de calor requer trabalho para gerar calor em baixas temperaturas e liberá-lo em temperaturas mais altas.
Pode-se mostrar que, se ambas as máquinas são reversíveis (ou seja, processos termodinâmicos não contêm perdas de calor ou trabalho), então há um limite finito para a eficiência de cada uma delas e, em ambos os casos, essa é a razão Qí/ C. Se não fosse assim, seria possível construir uma máquina de movimento perpétuo simplesmente conectando uma máquina à outra. Somente no caso de uma máquina térmica, essa relação é escrita na forma W/Qn e é chamada de eficiência térmica, enquanto para uma bomba de calor ela permanece na forma Qn/W e é chamada de coeficiente de conversão térmica (Kt). Se assumirmos que o calor é fornecido isotermicamente à temperatura TL e removido isotermicamente à temperatura TH, e a compressão e a expansão são realizadas a entropia constante (Fig. 1.1.2), o trabalho é fornecido por um motor externo, então o coeficiente de conversão para o O ciclo de Carnot será: Kt = TL /( TN - TL) + 1 = TN / (TN - TL)
Assim, nenhuma bomba de calor consegue ter um melhor desempenho, e todos os ciclos práticos apenas concretizam a vontade de chegar o mais próximo possível deste limite. Classificação das bombas de calor Atualmente, foram criadas e estão em funcionamento um grande número de instalações de bombas de calor, diferenciando-se nos circuitos térmicos, fluidos de trabalho e equipamentos utilizados. Quanto à designação das várias classes de atitudes, nas fontes literárias que conhecemos não existe uma opinião única estabelecida, encontram-se várias designações e termos. Neste sentido, torna-se importante a classificação das instalações, permitindo considerar as suas propriedades de acordo com um ou outro grupo. Todos os tipos de instalações de bombas de calor podem ser classificados de acordo com uma série de características semelhantes. Cada uma delas reflete apenas uma característica da instalação, pelo que a definição de instalação de bomba de calor pode conter duas ou mais características. A classificação das instalações de bombas de calor deve ser realizada principalmente de acordo com os seus ciclos de funcionamento. Existem vários tipos principais de bombas de calor:
Todas as bombas de calor, baseadas no princípio da interação dos fluidos de trabalho, podem ser combinadas em dois grupos principais: 1) ciclo aberto, no qual o fluido de trabalho é retirado e liberado no ambiente externo; 2) ciclo fechado, no qual o fluido de trabalho se move ao longo de um circuito fechado, interagindo com a fonte e consumidor de calor apenas por meio da troca de calor em dispositivos do tipo superfície. Existem HPIs de um e dois estágios e em cascata, bem como HPIs com conexão em série de refrigerantes aquecidos e resfriados com movimento em contracorrente. Finalidade: estacionária e móvel, para acumulação de energia térmica e seu transporte e aproveitamento de calor residual. Por desempenho: grande, médio, pequeno. Por regime de temperatura: alta temperatura, temperatura média e baixa temperatura. Por modo de operação: estacionário, não estacionário, contínuo ou cíclico, não estacionário com armazenamento de energia térmica. Por tipo de refrigerante: ar, amônia, freon, misturas de refrigerantes. Por tipo de energia consumida: acionada por motor elétrico ou turbina a gás, ou acionada por turbina a gás, alimentada por recursos energéticos secundários, etc.
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