В данном материале речь пойдет о низкопотенциальных преобразователях тепла, или проще говоря о тепловых насосах. В настоящий момент эта технология является наиболее эффективным средством по использованию возобновляемых источников энергии с целью обеспечить теплом и горячим водоснабжением помещения.
Использование теплового насоса позволяет, например, при затрате одного киловатта электрической энергии и двух киловатт низкопотенциального тепла на выходе получить три киловатта тепловой энергии. Если учесть, что источник низкопотеницальной тепловой энергии есть везде (грунт, вода, воздух), то с уверенностью можно констатировать факт о том, что тепловой насос является весьма эффективной технологией. Он может применятся, например, для горячего водоснабжения и отопления. Особенно актуальным становится его использование в тех местах, где отсутствуют другие источники тепла, такие как природный газ.
Как сказано выше, низкопотенциальное тепло можно использовать везде. Запасом тепловой энергии обладают все вещества, находящиеся выше температуры абсолютного минимума, т.е. не ниже нуля градуса по кельвину, и теоретически ее можно извлечь. Практически же на уровне развития современной техники это невозможно.
Одним из актуальных источников низкопотенциального тепла является грунт. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна, в отличии от температуры воздуха. Кроме этого, если поблизости есть водоем, то это можно сказать идеальный вариант. Ведь для того, чтобы использовать тепловую энергию грунта, необходимо проложить сложную систему труб – либо пробурить вертикальную. скважину, либо расположить под зоной промерзания горизонтально. Но вода в водоемах тоже на определенной глубине практически не меняется в течение года, и при этом не требуется производить земляных работ, что в конечном итоге сказывается на суммарной стоимости выполненных работ и оборудования.
Тепловой насос – это устройство, позволяющее принимать тепловую энергию от низкопотенциальных тепловых источников, увеличивать тепловой потенциал этой энергии, и передавать её для дальнейшего использования (например, нагрев воды для горячего водоснабжения, отопления, и т.д.).
Термодинамический цикл у теплового насоса идентичен холодильной машине. Принципиальное отличие теплового насоса от холодильника состоит в том, что холодильные машины предназначены для охлаждения, тогда как тепловой насос – для нагрева.
Тепловой насос, также как и холодильная установка в своей работе используют переход агрегатного состояния вещества из жидкого в газообразное, и наоборот. Их принцип работы основывается на общеизвестных физических явлениях. Первое – это свойство веществ иметь различную температуру кипения и конденсации в зависимости от давления окружающей среды. Так, чем ниже давление – тем ниже становится температура кипения вещества, и наоборот. Второе – при испарении вещество забирает тепло, а при конденсации отдаёт его.
Для отбора тепла и последующей его отдаче используются специальные вещества, называемые хладагентами. Важным их отличием от традиционных теплоносителей (например вода, воздух, антифриз и т.д.) является то, что хладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию). Идеальный хладагент должен иметь хорошие термодинамические свойства, низкие коррозионные качества, и быть негорючим и не токсичным. Эти свойства идеально удовлетворяют соединения хлорфторуглеродов (фреоны). В тоже время экологами серьезно ставится вопрос о негативном влиянии хлорсодержащих фреонов на озоновый слой в стратосфере. Испарившийся фреон вступает в реакцию с соединениями озонового слоя, разрушая его. Поэтому в соответствии с Монреальским протоколом с 1 января 1996 года запрещено применение хладагента R12. В некоторых странах законодательно запрещено использовать определенные типы фреонов. С 2011 года Европейский союз намерен поэтапно отказываться от применения хлорсодержащих фреонов.
Общий принцип работы теплового насоса состоит в следующем: хладагент испаряясь в камере с низким давлением забирает тепло, и конденсируясь в камере с высоким давлением и температурой отдаёт тепло. При этом осуществляется перенос тепла от холодного тела к нагретому.
Технология использования низкопотенциального тепла не новая, и известна уже достаточна давно. Устройство своим появлением обязано работам физиков Сади Карно и Уильямсу Томсону (он же лорд Кельвин). В 1824 году Сади Карно в своей кандидатской работе на тему «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», описал основополагающие принципы в термодинамике. В его честь назван один из термодинамических циклов – цикл Карно. В тепловом насосе используется обратный цикл Карно, и впервые его применил в 1852 году Уильямс Томсон, предложивший использовать холодильную машину для отопления.
Устройство теплового насоса
В состав теплового насоса входят компрессор, испаритель, конденсатор, дросселирующий вентиль, а также вспомогательное оборудование: насос для подачи хладагента, система трубопроводов и предохранительные устройства, и т.д.
Для осуществления цикла по переносу тепла от холодного источника к горячему необходимо иметь определенные условия – в конденсаторе должно быть более высокое давление чем в испарителе. В следствии чего хладагент должен закипеть при низком давлении, и сконденсироваться при высоком. Для выполнения данного условия используются компрессор и дроссельный клапан. Компрессор – для повышения давления, причем для его работы потребуется затратить внешнюю энергию, например электрическую. И дроссельный клапан – для понижения давления. Таким образом компрессор и дроссельный клапан делят цикл пополам – с одной стороны источник тепла, с другой потребитель.
Получается так, что тепловой насос переносит тепло от холодного тела к горячему. И без затрачивания внешней работы (например электрической энергии для работы компрессора) такой процесс был бы невозможен. И если бы такой процесс был возможен, то это был бы уже вечный двигатель второго рода. Созданию двигателя второго рода противоречит второе начало термодинамики, накладывающее ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. В наше время есть немало энтузиастов, утверждающих что второе начало термодинамики неверно (и среди знакомых автора данного материала есть такой энтузиаст). Но в конечном итоге все разговоры по этому поводу так и остаются разговорами.
Компрессоры могут применяться различного типа — центробежный, поршневой, и т.д., и его главное предназначение – сжать хладагент до нужного давления, и подать его в конденсатор. Для обратного процесса, т. е. для понижения давления используется дроссельный клапан. Суть его работы заключается в резком снижении поперечного сечения, вследствие чего давление после этого сужения понижается.
Дросселирование. Этот эффект был установлен экспериментально, и заключается в том, что если на пути движения газа, пара или жидкости встречается резкое сужение поперечного сечения, то после прохождения ими этого сечения давление уменьшается. Применение этого эффекта в цикле обусловлено тем, что для понижения давления не требуется затрачивать дополнительную энергию. Вентили, задвижки, шайбы, краны, клапаны, как правило, уменьшают проходное сечение трубопровода, а следовательно, вызывают дросселирование вещества.
Рабочий цикл теплового насоса
Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения попадает в первый теплообменник – испаритель, проходя через который, превращается из жидкого состояния в газообразное, отбирая тепло. Это процесс происходит при низком давлении и температуре. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее газообразный хладагент поступает во второй теплообменник – конденсатор. В конденсаторе горячий газ снова переходит в жидкое состояние, при этом выделяется теплота. Давление хладагента, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении хладагента через дроссельный клапан давление понижается, устанавливаются необходимые условия, хладагент вновь попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.
Критерий определения эффективности теплового насоса
Эффективность того или иного устройства обычно определяется по его КПД. Однако, эффективность работы теплового насоса определяется другим критерием. КПД – это отношение полезной работы к затраченной энергии. И в случае тепловой машины оно записывалось бы.
КПД=(полезная работа)/(затраченная энергия) – всегда меньше единицы.
Эффективность же теплового насоса оценивается величиной отопительного коэффициента, или как можно еще сказать – коэффициентом преобразования тепла (КОП). В английском обозначается как coefficient of performance (COP). Величина этого коэффициента всегда выше единицы, и равен отношению полученной теплоты к работе, затраченной для осуществления холодильного цикла.
КОП=(полученная теплота)/(затраченная энергия) – всегда больше единицы.
Посчитать отопительный коэффициент можно, используя обратный цикл Карно
КОП=(температура на выходе)/( температура на выходе – температура на входе).
Например, при отоплении здания зимой температура речной воды t2=273 К, а температура хлодогента, при которой он отдает теплоту в отопительную систему t1=323 К, то отопительный коэффициент теплового насоса будет равен
Таким образом, при затраченной работе в 1 кВт, на выходе имеем тепловую энергию 6,46 кВт.
В заключение можно сказать, что тепловой насос является весьма эффективным решением, обладающий только одним весьма существенным недостатком – это стоимость.
