Пролог
Высокие технологии могут быть не только в IT индустрии среди программирования и микроэлектроники, но и, на удивление, в сантехнике. Да, именно так! Сейчас объясню почему.
Существует контринтуитивное приспособление под названием тепловой насос. Это устройство переносит энергию от более холодного тела к более горячему телу. Казалось бы вопреки второму началу термодинамики. Как агрегат устройство было придумано более чем 170 лет назад, а теория цикла Карно была сформирована и вовсе 200+ лет назад. Однако тем не менее 95% моего окружения в России по сей день в 2025 топят печи на даче обыкновенными дровами.
В этом тексте я попытался объяснить, как это возможно с точки зрения физики процесса. Буквально на пальцах.
Теория
В принципе, чтобы понять суть теплового насоса должно быть достаточно школьного образования. Надо только вспомнить два экспериментальных факта.
Как известно из физики, при конденсации газ выделяет тепло. Также известно, что при испарении газ отбирает тепло. В этом можно убедиться, если выйти из реки и не вытираться полотенцем. Вода станет испаряться по всей площади тела и будет ощутимо холодно.
Второй момент. При уменьшении давления температура кипения веществ тоже уменьшается. Те, кто ходят по горам и кипятили там воду знают. Одновременно, при увеличении давления температура кипения тоже увеличивается (тут мы все вспоминаем скороварки).
Именно эти явления используются в тепловых насосах.
Холод и теплота величины относительные. Температура - есть мера энергии. Чтобы что-то нагреть - на это надо потратить энергию, чтобы охладить - забрать (а точнее не мешать отдавать). Для людей всё, что ниже 22 градуса - это холодно. Однако с точки зрения физики 0 градуса по шкале Цельсия - это 273 градусов по шкале Кельвина. А значит, что чисто теоретически можно выкрадывать у природы тепло до тех пор пока не наступит абсолютный ноль по Кельвину (-273 градус по шкале Цельсия). Энергия есть в любом теле любой температуры кроме абсолютного нуля. Пока тело имеет температуру выше 0 К, у него можно забрать энергию (т.е. охладить ещё сильнее). Надо просто взять у природы тепло. Обогреть дом за счет охлаждения улицы.
"Просто мы возьмем свое! И все! Не, ну для всех других будет так выглядеть, как будто мы его выкрали..."
В качестве теплоносителя якобы используется вещество под названием фреон R404A. В своих рассуждениях я выбрал R404A чисто ради наглядности. R404A - это смесь других фреонов (R125/R143a/R134a=CH_2FCF_3). Химия пока не важна. Интерес представляет именно физические свойства вещества R404A.
Давление, Атм | Температура кипения / конденсации, C |
0,28 | -70 |
0,5 | -60 |
1 | -47,8 |
2 | -30 |
4 | -12 |
8,27 | 10 |
16,6 | 36 |
32,82 | 66 |
Процесс
Чтобы понять, как работает тепловой насос надо пройтись по пути, который проходит молекула фреона.
Фаза 1. Испаритель
Фреон поступает в испаритель в жидкой фазе. Допустим, что в трубе испарителя поддерживается давление 0,75 атмосфер. Жидкость оказывается в области относительно низкого давления. Ну не может фреон про давлении 0,75 атмосфер оставаться жидкостью. Он сразу вскипает. Согласно графику(таблице) температуры кипения фреона от давления, теплоноситель вскипает. Происходит интенсивный отъём тепла из окружающей среды. Холодный воздух, вода, земля теоретически могут локально в пределе охладиться до -50 градусов.
Также из физических измерений известно, что при кипении (парообразовании) температура не повышается. При кипении вся энергия уходит на разрушение связи между молекулами жидкости. Это показано на отрезке 4.
Варьируя давление в испарителе, можно регулировать интенсивность извлечения тепла из окружающей среды. Понижая давление, мы увеличиваем интенсивность.
Фаза 2. Компрессор
Компрессор перекачивает молекулы газообразного фреона из области низкого давления в область высокого давления. Скажем, в область 16,6 атмосфер. Теоретически компрессор это единственный прибор в системе, который нуждается в электроэнергии извне. Он совершает механическую работу по перекачке фреона из трубы испарителя в трубу конденсатора.
Фаза 3. Конденсатор
Тут мы снова смотрим в таблицу и видим, что при этом давлении 16 Атм газ фреон R404a конденсируется. При этом температура не может превысить значение 36 градусов. Не густо... Но с физикой не поспоришь. Если хотим на выхлопе большую температуру, то надо нагнетать существенно более высокое давление в трубе. А более высокое давление в конденсаторе потребует больших затрат электроэнергии. Так что меняя давление в конденсаторе можно регулировать эффективность агрегата.
Почему при конденсации пара выделяется энергия? Самое простое объяснение звучит примерно так. Что бы перевести жидкость в пар необходимо затратить энергию. При обратном переходе, согласно закону сохранения, эта энергия выделяется.
Фаза 4. Расширительный клапан
Чтобы замкнуть цикл движения теплоносителя надо открыть расширительный клапан или мембрану это уже зависит от реализации и по чуть-чуть стравливать образовавшийся жидкий теплоноситель обратно в испаритель. На этом контур замыкается и всё повторяется заново.
Если говорить на языке цикла Карно, то получается такой процесс. В классическом цикле Карно процесс из разницы температур создает механическую работу. Тут же наоборот мы электрическим компрессором закачиваем в систему механическую работу, чтобы искусственно создать разницу температур.
Тепловые насосы могут совершенствоваться по двум путям:
1— Поиска теплоносителей с чудо свойствами. С точки зрения уменьшения нагрузки на трубопровод и компрессор было бы полезно подобрать теплоноситель вот с таким графиком температуры кипения от давления.
2— Создание экономичных и бесшумных компрессоров высокого давления.
Если проводить аналогии, то тепловой насос - это холодильник, который работает наоборот. Не на охлаждение, а на отопление.
Достоинства тепловых насосов
++Экологическая чистота. Нет никаких выбросов в атмосферу. Охлаждение планеты пока загрязнением не считается.
++ Якобы низкие энергетические затраты на процесс отопления. По сути энергия тратится только на перенос газа. То есть на работу компрессора.
++Тепловые насосы якобы очень надежные. Обычно в пример приводят холодильник, который работает десятилетиями.
++ Например летом можно обратить цикл вспять и уже не обогревать помещение, а наоборот охлаждать. При этом нагреваться будет мировое пространство.
Недостатки тепловых насосов
--Лично меня настораживает, что надо нагнетать очень высокое давление в конденсаторе. Десятки атмосфер. Для справки в пропановых баллонах ГБО автомобилей обычно 12 атмосфер. А тут желательно в три раза больше. Это же какая надежная должна быть сантехника?
--Есть шум от работы компрессора.
--Воздушные тепловые насосы имеют свойство вибрировать во время работы.
--Для геотермальных тепловых насосов надо бурить скважины.
--Нужно тратить энергию на сжатие газа до высоких давлений: десятки атмосфер!
--Для повышения эффективности желательно создавать пониженное давление в испарителе. На это тоже нужна энергия и прочные герметичные трубы способные выдержать вакуум.
Итог
Теперь и Вы имеете общее начальное представление о том, как работает тепловой насос. Теперь для вас это не шайтан-машина. Как по мне тепловые насосы - это весьма интересная предметная область.
Разумеется теория расчета и проектирования тепловых насосов намного интереснее. Надо собирать данные с датчиков, разворачивать систему автоматического регулирования, разрабатывать управляющую электронику, вычислять наработки на отказ и прочее.
Надеюсь, что в прекрасной России будущего научатся строить свои эффективные и надежные тепловые насосы и станут тотально ставить их. Везде!
Ссылки
№ | Название | URL |
1 | Отопление дома за день! Тепловой насос воздух-воздух | |
2 | Тепловой насос | |
5 | Хладагент R404a | https://freons.xyz/wp-content/uploads/2020/10/r404a-pt-2.pdf |
3 | Зависимость температуры кипения фреонов от давления | |
4 | Скороварка | |
6 | альтернативный метод отопления частных домов |
Вопросы, которые можно задать экспертам по тепловым насосам
--Чему обычно равно давление в испарителе?
--Какого порядка давление в конденсаторе?
--Какое вещество является в качестве теплоносителя в современных тепловых насосах?
--Как выглядит график зависимости температуры кипения фреона R404A от давления?
--Сколько времени длится один период цикла? То есть за какое время молекула фреона совершает в тепловом насосе полный круг?
--Какова скорость движения вещества в сечении трубы?
