Вся жизнь человечества, в той или иной мере, неразрывно связана с понятием тепла: с момента первого разведения костра древним человеком, тепло играет ведущую роль в жизни людей, согревая и давая пищу.
Издревле, одним из самых простых способов согреться для людей являлось собраться у костра, что со временем эволюционировало в печи разного типа…
Но среди способов извлечения тепла особняком стоит один, который долгое время для учёных был загадкой, и только с относительно недавнего времени (XIX века) стал реальным — использование тепловых насосов, которые, наподобие того, как это делают линзы из области оптики, позволяют собирать рассеянное тепло из окружающего пространства и «концентрировать» его, в целях использования полезным образом.
Подобные насосы, по логике действия, весьма похожи на линзу, так как тоже позволяют «концентрировать нечто» и отличие в логике заключается только в том, что линза не требует подвода внешней энергии для своей работы, а насосы — требуют…
За прошедшие годы было разработано достаточно много конструкций подобных устройств, но начать, наверное, надо с самого первого в этом ряду — знаменитого «умножителя тепла», разработанного ещё в 1852 году, лордом Кельвином.
Принцип действия этой установки интуитивно не слишком просто понять (без соответствующего пояснения), поэтому, рассмотрим его подробнее, но, для начала, чтобы нам было проще всё это понять, выстроим в линейку некоторые физические факты, если кто-то их забыл или не знал:
Сжатие или расширение газов приводит к концентрации или распределению теплоты (уже имеющейся в газе) в разных объёмах, соответственно, в случае сжатия газа, происходит концентрация теплоты в меньшем объёме, в результате чего, температура газа растёт; в противоположном случае, если газ расширяется и занимает больший объём, то та же теплота, распределяется по большему объёму, а температура газа падает*;
*Мы здесь говорим только о конечных эффектах, специально опуская то, что как правило, для совершения такого сжатия или расширения требуется приложение внешней работы — для упрощения, мы игнорируем этот момент.
Менее нагретые объекты имеют свойство получать теплоту от более тёплых, и наоборот, более тёплые, имеют свойство терять теплоту, передавая её менее нагретым;
Как мы уже говорили выше, наподобие того, как линза собирает рассеянный свет, точно так же, можно собирать рассеянное тепло и концентрировать его;
Источником теплоты может выступать, по сути, что угодно, даже «морозный воздух с улицы» — из которого можно извлечь теплоту и использовать в полезных целях. Причиной этого является то, что даже такой, казалось бы, холодный воздух, относительно нагрет, так как его температура превышает абсолютный ноль;
Разные способы концентрации тепла могут отличаться по КПД — логично предположить, что гораздо более поздно разработанные, например, относящиеся не к XIX веку (картинка принципа действия аппарата, которого приведена будет чуть ниже), а, например, современные аппараты, демонстрируют гораздо более высокий КПД — и это действительно так, и об этом мы ещё поговорим.
Итак, вооружившись этими фактами, посмотрим на картинку ниже:
Принцип действия этого аппарата достаточно любопытный: воздух с улицы, всасывается в расширительный цилиндр, где, в ходе такого расширения происходит его охлаждение, после чего, охлаждённый воздух этим же самым цилиндром, при обратном его ходе выдавливается в теплообменник, расположенный на улице.
Казалось бы, что за странная история? А суть здесь вот в чём: после того, как воздух охладился в цилиндре куда был втянут и был выдавлен в теплообменник на улице, его температура понизилась относительно температуры окружающего воздуха, и, соответственно, этот воздух стал способен к восприятию окружающей температуры!
Другими словами, теперь, этот воздух может быть нагрет относительной теплотой окружающего воздуха (даже если на улице зима!) — то есть, мы как бы охлаждаем улицу, нагревая наш воздух!
Далее, относительно нагретый воздух (до температуры окружающей среды, то есть до уличной температуры) — поступает в дожимающий цилиндр (на картинке слева).
Здесь тоже нужно отметить, что мы до сих пор оперируем относительно разряженным воздухом, который теперь нужно «дожать» до атмосферного давления — именно это и делает дожимающий цилиндр.
И здесь вступает в действие очередной физический факт, из ряда, который мы рассматривали ранее: так как до этого момента теплота была распределена по относительно разряженному газу (то есть, газу ниже атмосферного давления), то теперь, если мы давление этого газа повысим до атмосферного — его относительная температура тоже повысится!
И из дожимающего цилиндра, нагретый уличный воздух, уже атмосферного давления — выбрасывается в жилое помещение!
Таким образом, мы видим, что наблюдается как бы умножение уличной температуры, с повышением её величины — собственно, почему Кельвин и назвал этот аппарат «Умножителем Тепла» (Heat Multiplier).
Если мы взглянем на картинку выше ещё раз, то увидим (это отмечено на картинке тоже), что КПД такого устройства может быть увеличен, с применением впускного и выпускного клапанов разного типа: на впуск в цилиндр устанавливается относительно малого сечения клапан, чтобы наблюдался эффект дросселирования*, а выпускной клапан (для выброса воздуха в теплообменник на улице), изготавливается относительно большого диаметра, чтобы выпуск разряженного раза был максимально лёгким, желательно без сжатия.
*Дросселирование — можно назвать исторически самым первым способом научного способа создания холодильника.
Суть этого процесса крайне проста: газ из полости с относительно высоким давлением, через маленькое отверстие выдавливается (попутно расширяясь в объёме) в полость с относительно малым давлением, в результате чего, наблюдается существенное падение его температуры.
Раньше (примерно до 1930-х годов), дросселирование являлось одним из основных способов получения жидких газов, так как для получения жидких газов критически важным является понижение температуры, что было в своё время доказано Томасом Эндрюсом (1869), который выяснил, что для каждого газа существует критическая температура, где если температура газа находится выше этой отметки, то никакое повышение давления не может его перевести в жидкую форму.
В дальнейшем, дросселирование сменил гораздо более эффективный процесс, с изобретением П.Л.Капицей (1930-е годы) турбодетандера, — высокоскоростного устройства, позволяющего получать жидкие газы, в буквальном смысле, тоннами.
Это полностью изменило индустрию жидких газов, и с тех пор, большинство турбодетандеров, используемых этой индустрией, базируется на конструкции П.Л.Капицы, который за свои работы в области криогеники получил в 1978 году Нобелевскую премию.
Таким образом, при прочих равных, если в предыдущей конструкции устройства наблюдалось понижение температуры только при расширении газа в цилиндре за счёт того, что в нём движется поршень, то здесь (в теории) можно попробовать достичь двойного понижения температуры: как на впуске, за счёт дросселирования, так и затем, при увеличении объёма цилиндра, за счёт движения поршня вниз.
Как заявлял сам Кельвин, его аппарат «способен обеспечить необходимый уровень отопления, при затратах только 3% от той энергии, которая ранее использовалась для прямого отопления».
С точки зрения современных представлений, это некорректно, так как понимание законов термодинамики на тот момент только формировалась, и, в теории, более корректно будет говорить о соотношении затрат (для рассматриваемого аппарата) к получаемому в результате теплу, где-то в районе 1:1,5.
Однако, это был всего лишь аппарат XIX века, и XX век принёс существенное улучшение технологии, и повышение эффективности.
У рассмотренного выше аппарата была одна ключевая проблема: низкая теплоёмкость и теплопроводность воздуха, таким образом, для повышения эффективности, необходимо было переходить на что-то другое и, выход был найден — фазовый переход!
Аппараты подобного нового типа получили название «парокомпрессионных», где основная суть осталась всё той же, что и выше — забор тепла с улицы, а вот протекающие процессы при этом стали иными…
В таких аппаратах, также на улице устанавливается теплообменник, в котором также поддерживается относительно низкое давление, и, в этот теплообменник подаётся уже не газ, как в предыдущем варианте, а специальный «хладагент» — вещество, которое может переходить в пар, при относительно низких температурах (то есть, ему для этого не требуется явный нагрев, и достаточно даже уличной температуры и пониженного давления).
Так как парообразование, это эндотермический процесс, то есть, потребляет большое количество теплоты, хладагент забирает эту теплоту для перехода в пар — у окружающей среды, то есть, с улицы.
Этот относительно холодный газ, поглотивший тепло с улицы, поступает в компрессор, который сжимает его, в ходе чего температура газа повышается, и, этот сильно разогретый газ поступает в другой теплообменник, который установлен уже внутри помещения, где он и отдаёт свою теплоту, нагревая помещение, в ходе чего теряет энергию и снова переходит в жидкую форму.
И вот тут, весьма любопытный момент: а ведь теперь, необходимо этот жидкий хладагент, снова каким-то образом подать в уличный теплообменник, причём, таким образом, чтобы в уличном теплообменнике сохранялось разрежение (то есть, относительно низкое давление).
Каким образом этого достичь? И тут на помощь приходит знакомое нам дросселирование!
«Но, погодите-ка!», скажите вы, «ведь мы выяснили, что дросселирование используется исключительно для понижения температуры газов! А причём же здесь дросселирование жидкостей?! Оно же не будет работать!»
Дело здесь в том, что в этом случае, дросселирование используется абсолютно иначе, чем в случае дросселирования газов: здесь это не «расширитель», а всего лишь ограничитель подачи!!!
Таким образом, грубо говоря, дроссель здесь — «маленькая дырочка» (сорри — «отверстие» :-D), через которое может просачиваться всего лишь малое количество жидкого хладагента в теплообменник на улице!
То есть, за счёт такого простейшего инженерного приёма, в трубопроводе теплообменника на улице, постоянно поддерживается разрежение, в результате чего, поступающий туда хладагент мгновенно вскипает и начинает переходить в газообразное состояние, активно забирая теплоту у улицы!
На этом моменте, наверняка, у многих что-то «щёлкнуло» и начала закрадываться мысль — «что-то это всё мне напоминает…». :-)
Поспешу уверить: вы были абсолютно правы — именно так и работает обогрев у современных кондиционеров, типа сплит-систем!
Причём, они развивают эффективность гораздо более высокую, чем в теории, мог показывать рассматриваемый в самом начале «тепловой умножитель» Кельвина — у современных кондиционеров, это соотношение может находиться в пределах 1:3,5…1:4,5 (и даже больше, для флагманских моделей).
Проще говоря, на 1 кВт затраченной электрической энергии, можно получить до 4,5 кВт тепла — и это не является нарушением закона сохранения энергии, так как мы не производим тепло непосредственно из электричества, а всего лишь перекачиваем уже имеющееся тепло, с одного места, в другое, «концентрируя» его — то есть, осуществляется работа в режиме «теплового насоса».
По широко распространённой в интернете информации, можно судить, что подобные системы (сплит-системы) могут обеспечить достаточно большие объёмы подогретого воздуха, достаточно высокой температуры (вплоть до примерно +60°C, где температура (кроме модели устройства), в том числе, зависит и от температуры окружающей среды — так как, при прочих равных, при сильных минусовых температурах сложно достичь большого перепада температур внутри уличного теплообменника и снаружи него, поэтому, и температура подаваемого в помещение воздуха будет снижена).
В завершение, можно сказать, что тема тепловых насосов весьма обширная и увлекательная, и мы рассмотрели всего лишь один его тип, с извлечением теплоты из окружающего воздуха. Однако, как уже отмечалось, воздух — далеко не лучший вариант в качестве донора для тепла.
И именно поэтому, в прошлом, был разработан целый ряд установок (где некоторые проработали более 30 лет!), с забором тепла от других средств — например, земли, воды*.
*Кстати говоря, наиболее часто рассматриваемые варианты в интернете ;-)
Мы же специально рассмотрели один из самых практичных, на мой взгляд, вариантов, так как «закопаться в землю» (с помощью скважин, траншей) или «окунуться в реку» большинству читателей может быть затруднительно, а вот задуматься об извлечении тепла из воздуха — вполне может быть интересно и, даже полезно… ;-)
Например, из истории известна установка, работавшая в Англии, и использовавшаяся для обогрева помещения площадью в 14200 м3, где в качестве донора тепла выступала речная вода (нагретая до +4,5°С), которая проходила через установку с коэффициентом преобразования 1:3 (т.е. на 1 кВт затрачиваемого электричества установка выдавала 3 кВт тепла), с помощью которой в трубы отопления подавалась нагретая до +50°С вода, а в качестве хладагента использовалась двуокись серы.
Принципиальная схема установки показана ниже (можно кликнуть и рассмотреть подробнее):
Как мы видим, на схеме всё так же установлен знакомый нам дроссель, и, судя по всему, использовался принцип кипения при пониженном давлении, так как на схеме присутствует испаритель (более подробной информации в оригинальной литературе не приводится) — можно только отметить, что так как установка предположительно относится к 1926 году, то фреон ещё на тот момент не был открыт, поэтому и была использована двуокись серы вместо него…
Желающие более подробно ознакомиться с этой темой, могут обратиться к книге: Д.Рей, Д.МакМайкл — «Тепловые Насосы» (Москва, Энергоиздат, 1982, пер. с англ: Е.И.Янтовского), где подробно рассмотрено множество интересных технических моментов, и приведена другая информация, которая может быть полезна для изучения этой темы.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
