Тепловой насос – тепло из холода

В наших рассказах о различных современных технологиях, позволяющих рационально использовать энергию и получать ее из так называемых альтернативных источников, мы упустили такой важный инструмент как тепловой насос. Тепловые насосы становятся все более распространенными в развитых странах из-за растущих цен на энергоносители и высокой эффективности этих самых тепловых насосов. О реалиях применения тепловых насос у нас читайте статью о перспективах использования тепловых насосов на русском и украинском языках.

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. В основе работы теплового насоса лежит физический принцип – так называемый «цикл Карно», который был разработан и описан еще в 19-м веке. Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году. Но техническая возможность воплощения идеи в жизнь появилась только в 20-м веке.

“Сколько нужно снежков, чтобы натопить печь?” - так иронизировал двести лет тому назад знаменитый философ Д. Дидро. Его насмешливый вопрос, как оказалось не лишен смысла.

Теоретически источником тепла может быть любое вещество, температура которого выше абсолютного нуля: воздух, скалистая порода, земля, вода и даже снег. Вспомните, как работает самый обыкновенный домашний холодильник. Ведь теплота, отнимаемая от охлаждаемых продуктов, теплота конденсации и теплота замерзания влаги, т. е. теплота образования снега и его охлаждения, выделяется из холодильника и обогревает комнату. В этом легко убедиться, приложив руку к задней, иногда боковой, стенке холодильника: она всегда теплая.

Таким образом, холодильная машина может с успехом служить и для отопления. Вместо того, чтобы прямо расходовать электроэнергию на электрические тэны, обогревающие дом, может лучше ее использовать для осуществления термодинамического цикла и отапливать с ее помощью дом снегом? Докажем, что это вполне возможно.

Пусть температура снега на улице -3°С (предположим, что зима теплая, сущность вопроса это не изменит, а расчет упростит; можно снег заменить холодной водой из реки или хоть даже из Ледовитого океана - будет еще выгоднее). Температуру отопительных приборов в здании установим 27° С. Разность температур равна 30° С. Абсолютная температура нагревателя 27 + 273 = 300 К. КПД тепловой машины, работающей между такими близкими температурными пределами, очень мал - всего только 0,1. (КПД=30/300=0,1). Это значит, что если мы захотим получать в такой машине работу, то из каждых 10 Дж тепла, полученных от нагревателя, в самом лучшем случае мы можем превратить в работу только 1 Дж.

Но если мы заставим ту же машину работать в обратном направлении, то, затратив работу, эквивалентную только 1 Дж, сможем передать нагревателю (печке) целых 10 Дж, из которых 9 Дж будут получены от холодильника (снега). Рассмотрим как же работает тепловой насос:

1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.

3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан - давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему.

В данном случае принцип работы теплового насоса практически полностью совпадает с принципом работы холодильника.

В общем, тепловой насос - это просто другое название холодильника, который представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его вовнутрь дома, то можно таким нехитрым способом обогревать помещение.