Что такое тепловой насос

История

   В принципе работы теплового насоса лежит цикл Карно, описанный в его диссертации в 1824 г. А первые практические разработки проводились ещё в 1852 г. Вильямом Томсоном (впоследствии - лорд Кельвин). Установка была названа умножителем тепла и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для отопления. В обосновании своего предложения Томсон указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления, и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи.

В дальнейшем система была усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger). Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате, Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому.

Первый патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах XX века. Одной из старейших ТН систем считается здание Объедененной штаб-квартиры освещения в New Haven, штат Connecticut (США), которая работает, начиная с 1930 года.

Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60°С.

Устройство холодильника

   По определению, тепловой насос – это термодинамическая установка, в которой тепло от низкопотенциального (низкотемпературного) источника передается к высокопотенциальному, при этом электрическая энергия расходуется только на работу привода (в данном случае – компрессора). Фактически же – это холодильник «наоборот». А как работает обыкновенный бытовой холодильник? Разберемся, почему холодильник способен охлаждать тела, изучим его принцип действия.

Основные части холодильника следующие:

радиатор – черная решетка позади холодильника,

испаритель – морозильная камера внутри холодильника

и компрессор – насос с электродвигателем.

Работает холодильник следующим образом. Компрессор, откачивает фреон (которым заполнена система) из испарителя и под большим давлением накачивает его в радиатор. Поскольку над Фреоном совершается работа, то согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия фреона возрастает и он нагревается приблизительно до 60-70°С. В месте перехода из трубки испарителя в трубку радиатора (на рисунке отмечено синим кружком) расположен дроссель – узкое отверстие. Сильно сжатый компрессором фреон, находится под большим давлением и по мере прохождения через дроссель постепенно превращается в жидкость. Далее через радиатор он отдает свою теплоту воздуху в комнате, постепенно остывая почти до комнатной температуры. Резкое понижение давления приводит к бурному испарению жидкого фреона – его кипению. Поскольку кипение – это разновидность парообразования, то оно сопровождается поглощением теплоты. Трубка испарителя становится холоднее, тем самым охлаждая продукты внутри холодильника. При атмосферном давлении фреон кипит примерно при +20°С. При пониженном же давлении, как, например, в трубке испарителя, фреон кипит приблизительно при –20°С. Именно такая температура и устанавливается в испарителе вблизи дросселя. Далее холодный (и уже газообразный) фреон движется по длинной трубке, обвивающей морозильную камеру. Находящиеся там продукты передают часть своей внутренней энергии фреону, и он нагревается примерно до –10°С. Приблизительно такая температура и сохраняется внутри морозильной камеры. Далее фреон вновь поступает в компрессор, и цикл повторяется.

   Таким образом, холодильник не "вырабатывает" холод, а лишь является тепловым насосом, перекачивая избыточную теплоту из морозильной камеры (отнимая её от продуктов) наружу, отдавая её в окружающий комнатный воздух.

Не удивительно ли: охлаждением холодного тела – продуктов в морозильной камере – мы согрели теплое тело – воздух в комнате? Да, не привычно! Однако это явление не противоречит второму закону термодинамики, поскольку теплопередача происходила не самостоятельно, а в результате совершения механической работы тепловым насосом.

Устройство теплового насоса

   Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника; его можно использовать и в качестве обогревателя. Источником тепла может быть земля, вода или воздух, которые в свое время получили тепло от солнца. Например теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю (озеро) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом (фреоном). Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5^оС.

Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. 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 уже нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. После прохождения через конденсатор жидкий хладагент может быть еще более охлажден, а температура прямой воды системы отопления увеличена посредством дополнительно установленного сабкулера. Давление хладагента, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается,  хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Эффективность теплового насоса

   В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации, или коэффициентом преобразования теплоты (СОР) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. При этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. Для этого, также, необходимо увеличивать площади теплообмена, чтобы перепад температур между источником тепла и холодным рабочим телом, а также между горячим рабочим телом и отапливаемой средой был поменьше. Это снижает затраты энергии на отопление, но приводит к росту габаритов и стоимости оборудования.

Для передачи в систему отопления 1 кВт  тепловой энергии теплонасосной установке необходимо затратить всего 0,3-0,5 кВт•ч электроэнергии, т.е. СОР = 3-5. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы компрессора и вспомогательного оборудования.

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим охлаждения летом. При этом в системе отопления для охлаждения помещения применяются фанкойлы.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции по эксплуатации. Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.