Еще в глубокой древности люди узнали, что трением можно добыть огонь. Однако только в XIX веке это явление было исследовано и получило научное определение и развитие. Немецкий физик Р. Клаузиус в первом начале термодинамики вывел эквивалентность теплоты и работы. Экспериментальные работы Д. Джоуля и Р. Майера подтвердили справедливость этого принципа. Майер первым попытался определить, какая работа требуется для выделения определенного количества тепла. Он на основании выполненных экспериментов по расширению газа определил значение механического эквивалента теплоты. В результате получилось, что для получения 1 ккал тепла нужно совершить работу около 4200 Дж. В соотношении этих величин и измеряется механический эквивалент тепла. Большое значение также имели эксперименты Джоуля. Во всех случаях, когда нагревание жидкости производилось за счет помещенных в нее механизмов (применялись различные жидкости, сосуды и мешалки), результат был одинаковым. Таким образом, был выведен принцип, что определенное значение работы выделяет количество теплоты и наоборот. Так был сформулирован закон сохранения энергии. В конце XIX века были изготовлены мощные холодильные установки, которые использовали в своей работе минимум в два раза меньше энергии, чем требовалось для перекачки определенного объема тепла. Для ученых это был шок, ведь формально получалось, что изготовление вечного двигателя возможно. Правда при ближайшем изучении выяснилось, что низкопотенциальное тепло и тепло, которое получается при сжигании материи – это две разные вещи. Но все равно все эти теоретические изыскания положили начало разработке и созданию теплового насоса.

Принцип работы теплового насоса.

Тепловой насос использует 2 основных принципа:

• при испарении вещество поглощает тепло

• при конденсации вещество отдает тепло

Все очень просто. Тепловой насос за счет источника энергии создает концентрацию тепла, которое ранее было распределено в некотором объеме, в другой части этого объема образуется холод, то есть дефицит тепла. Поэтому исторически сложилось, что впервые тепловые насосы стали применяться в качестве холодильников. Вся современная холодильная техника базируется на базовом принципе: тепло за счет внешней энергии откачивается из холодильной камеры. Сразу же было обращено внимание на то, нагрев конденсатора у холодильника можно было бы использовать для обогрева. Так родилась идея создания теплового насоса – закачивать тепло с улицы в небольшой замкнутый объем. Однако в области обогрева конкурентов у такого способа было очень много: дровяные печи, камины, современные отопительные системы. И пока топливо было относительно недорогим, такая идея серьезно не рассматривалась и могла применяться только для утилизации тепла от работающих мощных холодильных установок в жарких странах. Только в современной ситуации, на фоне резкого роста цен на энергоносители, увеличения затрат на обогрев, применение такого способа отопления становится экономически выгодным. Нужно всего один раз заплатить за дорогую и довольно сложную установку и можно дальше получать существенную экономию на затратах по отоплению. Создание и применение теплового насоса внесло в современную жизнь новые идеи. Идею одновременной выработки тепла и холода – когенегация и идея получения сразу тепла, холода и электричества – тригенерация. Практически любая холодильная установка использует принцип теплового насоса, но основное внимание в ней сосредоточено не на выработке тепла, а на получении холода в замкнутом объеме. Холодильник практически тепло только выбрасывает.

Классы тепловых насосов.

Сейчас наибольшее применение получили два класса: термоэлектрические насосы с использованием эффекта Пельтье и испарительные насосы. Испарительные тепловые насосы делятся в свою очередь, на абсорбционные и механические компрессорные. Постепенно растет интерес к использованию вихревых труб, использующих эффект Ранка.

Элемент Пельтье.

Термоэлектрический тепловой насос на эффекте Пельтье работает по довольно простому принципу: с двух сторон специальной полупроводниковой пластины подается небольшое постоянное напряжение. При такой схеме одна сторона нагревается, а другая охлаждается. Вся суть эффекта заключается в пластине элемента Пельтье, которая состоит из двух слоев. Каждый слой в зоне проводимости имеет разные уровни энергии электронов. Под действием внешнего напряжения электрон переходит в более высокоэнергетическую зону проводимости и приобретает энергию. При этом процессе место контакта полупроводников охлаждается (при обратном направлении тока происходит обратный эффект). Главным достоинством такого элемента является простота его конструкции, отсутствие подвижных частей и потоков жидкости или газа. Это дает полную бесшумность в работе, компактные размеры и высокую стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и напряжение для работы требуется всего несколько вольт. Однако такой термоэлектрический элемент имеет существенный недостаток: у него относительно невысокая эффективность, практически в 1,5 раза ниже, чем у компрессионных испарительных тепловых насосов. Поэтому практическое применение элементов Пельтье ограничено и широко применяется лишь в переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы.

Этот класс тепловых насосов работает по следующему принципу: хладагент в газообразном состоянии под давлением, создаваемым компрессором, переходит в жидкое состояние. При этом, естественно, он нагревается. Далее он подается в радиатор конденсатора и охлаждаясь до температуры окружающей среды, отдает излишнее тепло. Затем хладагент поступает в расширительную камеру и проходит через дроссель, где теряет давление и снова расширяется и испаряется, частично переходит в газообразную форму. При этом он охлаждается до температуры значительно ниже окружающей среды. В дальнейшем хладагент уже полностью в газообразном состоянии подается к компрессору, который его откачивает и сжимает. Так цикл заканчивается и начинается сначала. Получается, что на участке нагревания хладагент находится в жидком состоянии под высоким давлением, а при охлаждении уже в парообразном состоянии. Все эти стадии обеспечиваются одним и тем же компрессором, а две рабочие зоны высокого и низкого давления разделяются дросселем.

Схема работы испарительного

компрессионного теплового насоса.

Компрессионные тепловые насосы имеют самую высокую эффективность из всех современных тепловых насосов. Соотношение получаемой и перекачанной энергии достигает цифры 1:3, то есть на 1 Дж энергии, подаваемой в зону охлаждения, выделяется 3Дж тепла. У насосов, работающих на эффекте Пельтье, на выходе получается всего 0,5 Дж. Существует весьма интересная и любопытная теория термодинамических явлений. Один из ее основных выводов утверждает, что количество работы по сжатию газа может составлять всего 30% от общей энергии. Это значит, что приведенное выше соотношение 1:3 является пределом и не может быть увеличено в принципе. Однако некоторые производители сегодня утверждают о достижении цифры 1:5 и даже 1:6. И это не является вымыслом, ведь в реальных циклах работы теплового насоса используется не только сжатие газообразного реагента, но и изменение его агрегатного состояния, а этот процесс наиболее главный в работе.

Недостатком компрессионных тепловых насосов, прежде всего, является само наличие компрессора, он при работе создает шум и подвержен износу. Также требуется обеспечение полной герметичности при работе и наличие специального хладагента. Конструкция такого теплового насоса проектируется с учетом того, что на входе компрессора хладагент находится в жидком состоянии, в случае наличия в нем влаги или конденсата, компрессор получает сильный гидравлический удар. Причиной такого может быть, как и слишком низкая температура конденсата, так и износ аппаратуры. Есть несложные решения, которые предупреждают такие явления, но они довольно дороги. Однако использование массовой бытовой техники в штатных ситуациях не приводит к появлению таких угроз.

Диффузионные тепловые насосы.

Цикл работы испарительных абсорбционных (диффузионных) тепловых насосов похож на рабочий цикл испарительных компрессионных агрегатов. Принципиальное отличие только в том, в отличие от создания разрежения компрессором, в абсорбционных агрегатах газообразный хладагент в блоке абсорбера поглощается специальным веществом – абсорбентом. За счет удаления газа из объема испарителя в нем создается разрежение, необходимое для испарения новых порций хладагента.

Рабочий цикл одноступенчатого

абсорбционного теплового насоса.

Главным и необходимым условием является то, что хладагент и абсорбент подбираются так, чтобы при поглощении газа в объеме испарителя создавалось существенное разрежение. Такую пару обычно составляют аммиак NHз (хладагент) и вода (абсорбент). Пары аммиака растворяются (диффундируют) в воде, от этого идет название этого типа тепловых насосов – диффузионные. Чтобы после диффузии вновь разделить аммиак и воду, отработавшую водно-аммиачную смесь нагревают в десорбере. После доведения до кипения ее немного охлаждают. Первой конденсируется вода, а аммиак остается в виде пара. Получившиеся фракции разделяют и после этого охлаждают до комнатной температуры. Вода подается опять в абсорбер, а аммиак поступает в испаритель и цикл работы начинается снова. Качество разделения воды и аммиака является главным условием, создающим достаточное разрежение в испарителе. Поэтому все разработки и ухищрения в конструкции направлены именно на это. Главной «изюминкой» диффузионного теплового насоса является то, что для получения холода используется нагрев рабочей смеси до температуры кипения.

Первые такие машины появились в конце XIX века, но не получили большого распространения в быту из-за ядовитых паров аммиака. Однако они получили широкое применение в промышленности благодаря способности производить охлаждение вплоть до -45 градусов. Одноступенчатые диффузионные тепловые насосы производили количество холода примерно равное затратам тепла. Однако современные агрегаты уже преодолели этот барьер. В 1950-х годах появились двухступенчатые, а в 1985-1993 были запатентованы уже трехступенчатые диффузионные тепловые насосы. Их прототипы превосходят двухступенчатые по эффективности на 30-50% и подходят вплотную к компрессионным установкам. Применение таких тепловых насосов абсолютно оправдано там, где нет электроэнергии или где есть большие объемы бросового тепла, вплоть до солнечного нагрева.

Сверхединичность тепловых насосов.

Работающий на обогрев тепловой насос представляет некоторым образом сверхединичное устройство. Ведь с точки зрения человека, который находится в помещении со всеми установленными частями такого насоса, кроме испарителя, в таком помещении тепла будет значительно больше, чем с другими обогревателями при употреблении такого же количества электроэнергии. Ведь, в самом деле, в помещении останется в виде тепла вся потребленная электроэнергия плюс дополнительное тепло, которое испаритель получил за пределами помещения и доставил его внутрь. Но это не означает, что можно создать «самодостаточное» сверхединичное устройство на основе тепловой машины, используя для ее работы полученную разницу температур. Однако многие исследователь продолжают свои разработки с целью создания тепловой машины, которая будет вырабатывать энергию в закрытой системе, полностью изолированной от внешней среды.

Пределы эффективности тепловых насосов.

Рассмотрим причины, почему же тепловые насосы, так широко применяющиеся в наше время, до сих пор не получили применения для обогрева. Пожалуй, единственный представитель такого аппарата – это кондиционер с инвертором. Здесь много причин, помимо субъективных, связанных с отсутствием таких традиций, есть еще и объективные причины. Это довольно узкий диапазон температур для обеспечения эффективной работы и обмерзание теплообменника. Когда температура в помещении +20 градусов, а на улице +10 градусов, то тепловой насос при одинаковом расходе энергии сможет закачать в помещение в два раза больше тепла, чем когда на улице 0 градусов. Кстати, слишком большая разница температур является ограничивающим фактором работы кондиционеров-инверторов. Несмотря на все приведенные факты и высокую стоимость оборудования тепловые насосы уже давно применяются за рубежом, сотни тысяч таких установок применяются для отопления домов в Японии, Швеции и других странах. По сравнению с КПД газовых котлов 65%, в теплонасосных установках коэффициент использования первичного топлива составляет 120-165%.

 

Интересная дискуссия на тему тепловых насосов и сверхъединичного КПД состоится 18 марта 2011

 

Если надоели тепловые насосы и генераторы, а просто хочется туда, где тепло, нет ничего проще, подберите себе тур и цены tourskidki.ru