Глава1 Принцип работы тепловых насосов

Идею создания испарительного теплового насоса была высказана английским физиком Кельвином в 1852 г. В основе теплового насоса лежат два физических явления. Первое: когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда конденсируется, отдает его. Второе: когда давление повышается повышается и температура испарения и конденсации вещества

В тепловом насосе происходит отбор теплоты низкопотенциального источника и его утилизация следующим образом. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, проложенному в земле или воде, нагревается на несколько градусов, затем, проходя через теплообменник испарителя теплового насоса отдает аккумулированную теплоту. Хладагент с низкой температурой кипения в испарителе при низком давлении, отбирая эту теплоту, переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор сжимает хладагент, при повышении давления повышается температура газа до 50-80°С, и затем горячий газ поступает в теплообменник конденсатора, где происходит передача тепла в систему отопления.

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому – испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины, рис.3, небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая – охлаждается.

Рис. 3 Элемент Пельтье

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект – место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву). Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность – ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии, то есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительных тепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, – а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью. В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, – например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы. Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл Карно. Хладагент обладает важным свойством – закипать при отрицательных температурах. Что бы заставить хладагент переносить тепло, тепловой насос оснащают четырьмя ключевыми элементами: компрессор, расширительный клапан (ТРВ), испаритель и конденсатор, рис.4.

Для удобства описания принципа работы теплового насоса, разделим цикл на 4 основные фазы:

I. Расширение. Хладагент, находящийся в жидком состоянии, продавливается через расширительное устройство – терморегулирующий вентиль (ТРВ). Задача ТРВ резко понизить давление рабочей жидкости. При относительно низком давлении (около 7 бар) рабочая жидкость способна закипеть, даже при температуре -25 ˚С. Это важно, поскольку кипение и испарение и есть процесс поглощения и выделения энергии, а это необходимое условие для второй фазы.

II. Кипение. После ТРВ жидкость поступает в испаритель, который представляет собой теплообменник. При помощи этого компонента, тепловой насос отбирает тепло от окружающей среды. Хладагент закипает и испаряется, поглощая теплоту. В итоге на выходе из испарителя хладагент находиться полностью в парообразном состоянии и всего на несколько градусов теплее своего первоначального состояния. Однако, благодаря переходу в пар, рабочая жидкость смогла получить достаточное количество энергии и готова к следующему этапу.

III. Сжатие. Дальше хладагент поступает в компрессор, при помощи которого тепловой насос сжимает рабочую жидкость. В процессе сжатия, давление хладагента повышается, это сопровождается одновременным нагревом.

IV. Сжижение. После компрессора, горячий хладагент поступает в конденсатор, который так же является теплообменником. В конденсаторе рабочая жидкость конденсируется, отдавая тепло и превращаясь снова в жидкость. Это тепло передается системе отопления и горячего водяного снабжения (ГВС). На выходе из конденсатора хладагент находится в жидкой фазе и снова поступает на ТРВ.

Рис.4 Схема рабочего цикла испарительного компрессионного теплового насоса.

Что бы лучше понять принцип работы теплового насоса, рассмотрим пять основных физических явлений, лежащих в его основе.

1. Тепло содержится в воздухе и земле даже при отрицательных температурах. Одним из препятствий на пути к пониманию принципов работы теплового насоса является заблуждение, что нельзя извлекать теплоту при отрицательных температурах воздуха или грунта. Тепло – это энергии связанная с движением (вибрацией) малейших частиц: молекул, атомов, ионов. В общепринятой и привычной нам шкале Цельсия – ноль градусов, это отметка замерзания воды. При этом, в воздухе содержится значительно меньше тепла чем при 40˚С жары, но всё же оно есть и его можно использовать. Движение частиц полностью останавливается при температуре минус 273˚С, что соответствует 0˚ по шкале Кельвина.

2. Тепло поступает от тёплого источника к холодной среде. Согласно второму закону термодинамики, тепло поступает от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Что бы «развернуть» этот поток при работе теплового насоса используются те самые два теплообменника. В первом теплообменнике (испарителе) хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды (воздух, грунт или вода), рис.5. Во втором теплообменнике (конденсаторе) уже горячий хладагент, после сжатия в компрессоре теплового насоса, передает тепло в контуре отопления, рис. 6. В обоих случаях выполняется закон передачи энергии от высокотемпературного источника энергии к низкотемпературному.

Рис.5 Передача тепла в испарителе теплового насоса

Рис.6 Передача тепла в конденсаторе теплового насоса

3. Сжатие газа повышает температуру, расширение её снижает. Тепловой насос нагревает рабочую жидкость после испарителя за счёт сжатия. Когда газ сжимается, температура, а значит и количество тепла, содержащееся в газе, увеличивается. Это происходит вследствие значительного увеличения вибрации частиц, которым становится «тесно». За этот процесс в работе теплового насоса отвечает компрессор. С другой стороны, расширение газа или жидкости приводит к снижению давления и температуры. Тепловой насос обеспечивает это при помощи расширительного клапана – ТРВ.

4. Фазовый переход рабочей среды. Если жидкость нагрелась до точки кипения, то наступает переходная фаза. Во время этой «паузы» жидкая и газообразная (пар) фаза хладагента в контуре теплового насоса существуют одновременно. Этот процесс продолжается, пока вся жидкость не превратится в пар. Основной фокус в том, что всё поглощённая энергия уходит на испарение и не вызывает рост температуры. Это тепло называют скрытой теплотой, и его количество у различных веществ различно. Хоть это тепло и называют скрытым, согласно закону сохранения энергии оно никуда не удаляется, а лишь накапливается и затем передается. Вся поглощенное во время испарения (кипения) энергия, затем выделяется при конденсации, т.е. обратном фазовом переходе из пара в жидкость. Использования фазового перехода, дает возможность значительно увеличить эффективность теплового насоса. Рабочая среда контура теплового насоса во время изменения фазы поглощает/выделяет значительно больше тепла, чем при изменении только температуры.

5. Температура испарения и конденсации рабочей среды зависит от давления. Температура, при которой рабочая жидкость конденсируется или испаряется, зависит от давления. Сжимая газообразный хладагент, компрессор так же значительно повышает давление. При большом давлении процесс конденсации происходит при относительно высоких температурах, позволяя отдавать тепловую энергию в конденсаторе теплового насоса в систему отопления.

В свою очередь, низкое давление рабочей среды приводит к тому, что хладагент может закипать при довольно низкой температуре. Этому способствует так же основное свойство рабочей жидкости.  Хладагент испаряется, а значит и поглощает тепло, при температуре -50˚С в условиях атмосферного давления. Благодаря этому свойству хладагента тепловой насос может отбирать тепло из окружающей среды даже при температуре -20˚С и отдавать тепло при температуре +60˚С. В природе это явление можно сравнить с кипением воды в горах при разряженном воздухе. На высоте 3 000 м давление составляет 0,7 бар. В таких условиях вода кипит уже при 90˚С. На уровне моря, при атмосферном давлении равном 1 бар, вода кипит при 100˚С. С увеличением давления, увеличивается и температура кипения воды. Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно – принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, – однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально – ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру.

Достоинства компрессионных тепловых насосов. Главное достоинство этого типа тепловых насосов – их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 – то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла – сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте. При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности – ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным.

Недостатки компрессионных тепловых насосов. К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, – совсем не редкость. Ещё одна особенность – довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.