Тепловые насосы: Принцип действия и применение

Автор: admin Категория: Познавательные статьи Дата: 2014-04-05 Просмотров: 7729 Комментарии: 0

Можно ли передать тепло от более холодного тела более теплому? Можно ли забрать тепло из морозного зимнего воздуха? Если ответить на этот ворос -  ДА, тогда станет возможным обогрев дома с помощью улицы, а точнее, с помощью переноса тепла снаружи вовнутрь. Только, Как это сделать и каков наш Выигрыш?

 

 

Второе начало термодинамики гласит: Теплота может переходить самопроизвольно только в одном направлении, от более нагретого тела к менее нагретому, и такой процесс является необратимым. Поэтому все традиционные системы отопления строятся на том, чтобы нагреть некий теплоноситель (чаще всего воду), до температуры более высокой, чем требуется для комфорта, а затем этот теплоноситель привести в соприкосновение с более холодным воздухом помещения, и тепло само, согласно 2-му началу термодинамики, перейдет к этому воздуху, нагрев его. А это и есть парадигма современного отопления: хочешь согреть человека – согрей воздух, в котором он находится! А для нагрева теплоносителя требуется сжигать топливо, поэтому во всех этих формах отопления задействован процесс горения со всеми вытекающими последствиями (пожароопасность, выбросы углекислого газа, резервуар для хранения топлива или не очень эстетичная труба у стены дома). Но запасы топлива хоть и велики, но не безграничны. А если это невозобновляемый расходный материал, который когда-то должен закончится, то и не стоит удивляться, что цена на него постоянно растет и будет расти в дальнейшем. Вот если бы удалось использовать для процесса нагрева какой-нибудь восполняемый источник теплоты, тогда и процесс роста стоимости удалось остановить (или притормозить) и избавиться, быть может, от отрицательных последствий процесса горения. Одним из первых, 1849 году об этом задумался Уильям Томпсон, английский физик, впоследствии ставший известным как лорд Кельвин. Можно ли необходимое тепло получить не путем нагрева, а путем переноса, забрав его где-то снаружи, и перенеся вовнутрь помещения. Тот же 2-й закон термодинамики говорит, что можно пустить тепло в обратном направлении, передав его от более холодного (например, от наружного воздуха) более теплому (воздуху внутри помещения), но для этого нужно затратить энергию (или как говорят физики –совершить работу). Какое тепло может быть в холодном воздухе? –скажете вы. Тогда ответьте на один вопрос: -15⁰С теплее, чем -25⁰С? Правильно теплее! Если забрать энергию у воздуха -15⁰С, тогда он охладится, скажем, до -25 С.  Но как забрать эту энергию и можно ли её использовать? В 1852 году лорд Кельвин сформулировал принципы работы тепловой машины осуществляющей перенос тепла от источника с низкой температурой к потребителю с более высокой температурой, назвав это устройство «умножителем тепла», которое сегодня известно под названием «тепловой насос». В качестве таких источников могут выступать грунт, вода в водоемах и скважинах, а также окружающий воздух. Все они содержат в себе низкопотенциальную энергию, накопленную от солнца.  Надо только научиться забирать её и преобразовывать в более высокотемпературную форму, пригодную для использования. Все эти источники носят возобновляемый характер и абсолютно экологичны. Мы не вносим в систему «Земля» никакого дополнительного тепла, а просто перераспределяем его, забирая в одном месте(снаружи) и передавая в другое (внутреннему потребителю). Это и есть совершенно новый подход к созданию комфортного климата в помещении. Снаружи, температура меняется в широких пределах: от «очень холодно» до «очень жарко», а человек комфортно чувствует себя в достаточно узком интервале температур +20..+25⁰С, и именно эту температуру он создает у себя в доме. Если температуру в доме требуется повысить (обогрев зимой), можно взять недостающее тепло с улицы и перенести его в дом, а не создавать источник повышенной температуры внутри, сжигая топливо(традиционные котлы)! А если температуру в доме требуется понизить (охлаждение летом), лишнее тепло можно убрать, перенеся его из помещения на улицу. Последнее реализуется через всем нам привычные кондиционеры. Итак, что мы имеем? Для обогрева помещения мы используем одни устройства: котлы, печи и т.п., работающие за счет сжигания топлива внутри, а для охлаждения – другие: кондиционеры, переносящие избыточное тепло из дома на улицу. А как бы заманчиво было иметь одно устройство на все случаи жизни: универсальную климатическую установку, поддерживающую комфортную температуру в жилище круглый год, просто перенося тепло снаружи вовнутрь или обратно! Сейчас мы покажем вам что чудеса возможны.

Вернемся к тепловому насосу. Как же он работает? В основе его лежит так называемый обратный цикл Карно, известный нам из школьного курса физики, а также свойство вещества при испарении поглощать тепло, а при конденсации (превращении в жидкость) – отдавать его. Для лучшего понимания, обратимся к аналогии. У всех у нас есть холодильник.  Но задумывались ли вы, как он работает? Его задача, казалось бы, «создавать холод»: но так ли это? На самом деле, продукты внутри холодильника охлаждаются, за счет того, что у них забирается тепло. Допустим вы принесли из магазина охлажденное мясо температурой +1⁰С и бросили его в морозилку. Через некоторое время мясо заморозилось, и температура его стала -18⁰С. Мы отняли у него целых 19⁰С тепла и куда же это тепло делось? Если вы бы потрогали заднюю стенку холодильника (обычно она сделана в виде извивающейся трубки-змеевика), то обнаружили бы что она теплая, а временами и горячая. Это и есть тепло, отнятое у мяса (те самые 19⁰С), и перенесенное на заднюю стенку. А ведь в процессе охлаждения у мяса были промежуточные температуры и -5⁰С и -10⁰С, но холодильнику все равно удавалось забрать у него тепло, всё более и более охлаждая его. Значит даже из замороженного мяса, температурой -10⁰С, можно забрать тепло, превратив его в мясо с температурой -18⁰С: значит это тепло там присутствовало, но в низкотемпературной форме. И холодильнику удалось не только забрать это низкотемпературное тепло, но и превратить его в высокотемпературную форму. Теплом от задней стенки холодильника можно согреться, прислонившись к ней. В известном смысле, холодный кусок мяса обогрел нас, имевшемся в нём теплом, хотя в это сразу трудно поверить. Мы узнали, что сделал холодильник с куском мяса: отнял у него тепло (внутри) и перенёс его на заднюю стенку (наружу). А теперь пора узнать, как ему это удалось? Внутри холодильника проходит другой змеевик, похожий на первый и вместе они составляют замкнутый контур, в котором, с помощью компрессора, циркулирует, легко испаряемый, газ – фреон.  Только циркулирует он не свободно. Перед входом в холодильник диаметр трубки-змеевика резко сужается, а следом за ним резко расширяется. Фреон, двигаясь по трубке за счет работы компрессора, «протискиваясь» через узкое горло, попадает в зону разряжения (более низкого давления), т.к. «неожиданно» попадает в сильно увеличенный объём (падение давления). Попав в зону низкого давления фреон начинает интенсивно испаряться (переходить в газообразное состояние), и проходя по внутреннему змеевику, поглощать тепло, с его стенок, а те в свою очередь забирают тепло из прилегающего воздуха внутри холодильника. Результат: воздух внутри охлаждается, а от соприкосновения с ним охлаждаются и продукты. Итак, как в эстафете, по цепочке, испаряющийся фреон вызывает отток тепла от продуктов к самому фреону: температура фреона к концу «путешествия» по внутреннему змеевику повышается на несколько градусов. Следующая порция фреона забирает следующую порцию тепла внутри. Регулируя степень разряжения, можно регулировать температуру испарения фреона и, соответственно, температуру охлаждения холодильника. Далее «разогретый» фреон отсасывается компрессором из внутреннего змеевика и попадает во внешний змеевик, где сжимается до определенного давления, т.к. на другом конце внешнего змеевика его «не пускает» узкое отверстие,  называемое Дросселем или терморегулирующим (расширительным) клапаном. В результате сжатия газа фреона, его температура повышается, скажем, до +40..+60⁰С, и проходя по внешнему змеевику он отдает тепло внешнему воздуху, охлаждается и переходит в жидкое состояние(конденсируется). Далее, фреон снова оказывается перед узким горлом (дросселем), испаряется, отнимая тепло, и процесс повторяется вновь. Поэтому, внутренний змеевик, где фреон испаряясь, забирает тепло называют Испарителем, а внешний змеевик, где фреон, конденсируясь, отдает забранное тепло называют Конденсатором. Описанное здесь устройство забирает тепло в одном месте(внутри) и переносит его в другое место(наружу). Характерной особенностью устройства является то что замкнутый контур, по которому циркулирует фреон разбит на 2 зоны: зону низкого давления(разряжения), где фреон получает возможность интенсивно испаряться, и зону высокого давления, где он конденсируется. Разделителем этих двух зон является дросселирующее отверстие, а поддержание столь разных давлений в одном замкнутом контуре становится возможным благодаря работе компрессора, которая требует затрат энергии. (Если бы компрессор остановился, то через некоторое время давление в испарителе и конденсаторе выровнялось бы и процесс переноса остановился бы). Т.е. устройство способно переносить тепло от более холодного к более теплому, но лишь затрачивая определенную энергию. Т.е. упрощенно, взяв холодильник и открыв его дверцу на улицу, а заднюю стенку обратив внутрь помещения, можно обогревать его. Нужно только чтобы в холодильник все время попадал свежий воздух наружной температуры, а охладившийся от соприкосновения с внутренним теплообменником удалялся. Это легко реализовать поставив на входе вентилятор, который бы загонял на змеевик новые порции воздуха. Тогда, тепло отнятое у наружного воздуха будет переноситься вовнутрь помещения, согревая его. Т.е. холодильник, открытый дверцей наружу, и есть простейший тепловой насос. Примерно так и выглядели первые серийные воздушные тепловые насосы. Они были похожи на оконные кондиционеры. То есть это был металлический ящик вставленный проём форточки, обращенный испарителем наружу, а конденсатором вовнутрь. Перед испарителем стоял вентилятор, который прогонял потоки свежего воздуха через теплообменники змеевика, а выходил охлажденный воздух с другой стороны ящика. Испаритель был отделен от Конденсатора теплоизолирующим слоем. На внутреннем змеевике тоже стоял вентилятор, который прогонял воздух помещения через его теплообменник и выдувал уже согретый воздух. При дальнейшем совершенствовании устройства наружная часть была отделена от внутренней и стала выглядеть как сплит-система кондиционера. Две части целого соединены между собой теплоизолированными медными трубками, в которых циркулирует фреон, и электрическими кабелями для подачи электропитания и сигналов управления. Современные воздушные тепловые насосы представляют из себя сложное устройство с интеллектуальным электронным управление, способное работать автономно, плавно регулируя свою производительность в зависимости внешней температуры, заданной внутренней температуры и ряда режимов. Это позволяет получить дополнительную экономию затраченной электроэнергии.

Основная классификация тепловых насосов (ТН) производится по низкопотенциальному источнику, из которого забирается энергия(воздух, грунт, вода) и потребителю – теплоносителю, который обменивается теплом с конденсатором и в дальнейшем используется в системе отопления(воздух, вода; вместо воды иногда используется антифриз). Перечислим наиболее распространенные:

1. Воздушные Тепловые Насосы (ВТН). Самая доступная по цене категория, особенно воздух-воздух.

-ТН воздух-воздух

-ТН воздух-вода

2. Грунтовые Тепловые Насосы (ГТН). Самая дорогая категория, т.к. требуются дорогостоящие земляные работы или бурение, сотни метров трубы и большой объем антифриза.

-ТН грунт-вода

3. Водные Тепловые Насосы. Трубы с антифризом укладываются на дно водоёма (озеро, пруд, море…) или две артезианские скважины(из одной скважины забирается свежая вода , а в другую сливается охлажденная вода). Дороговизна зависит от того, какой способ доступа с воде – источнику тепла – используется. Но в любом случае недешево!

-ТН вода-вода

Теперь – самое главное: О Выигрыше. Любой из перечисленных тепловых насосов позволяет получить энергии больше, чем затрачено на её перенос (работа компрессора, вентиляторов, электроники…). Эффективность работы ТН оценивается с помощью коэффициента производительности COP (от англ. Coefficient Of Performance), который равен отношению полученной тепловой энергии (в кВт*ч) к затраченной электрической. Это безразмерная величина показывает во сколько раз больше тепловой энергии выдает ТН по отношению к затраченной.  COP зависит от разницы температуры Источника (наружное низкотемпературное тепло) и Потребителя (температура в доме +20..+25⁰С) и обычно составляет от 2-х до 5-ти.

Это и есть наш выигрыш при использовании ТН: на 1 кВт затраченной электроэнергии можно получить от 1 кВт до 4 кВт тепла бесплатно из окружающей среды, что на выходе дает от 2-х до 5 кВт тепла в дом.

 

Заказать бесплатный звонок специалиста

Теги:

Добавить комментарий

Введите код