тепловые насосы

Что такое тепловой насос?

Данная комбинация слов по отдельности зачастую не вызывает недоумения. Тепловой пункт, тепловой процесс, тепловой удар и так далее, слово тепловой само по себе понятно и определяет процесс, связанный с теплом. Слово «насос» может быть использоваться отдельно но как правило под этим словом подразумевается тот или иной конкретный насос, занимающийся перекачкой жидкости и газа. Вакуумные насосы выкачивают воздух из камер, для получения среды с полным отсутствием давления. Гидравлические насосы предназначены для перекачки жидкостей либо передачи работы через давление в поршне, так как на гидротормозах, силовых движущихся элементов трактора, машин и т.д.

При этом слова «тепловой насос» зачастую не укладываются в голове у обычного обывателя, вроде бы тепло и перекачивать  куда либо как это возможно. А в сути и возможно. Причём в 21 веке вряд ли найдётся  человек, живущий в таком техногенном обществе как у нас и не прикасавшийся к  тепловому насосу физически, он есть у каждого, и это холодильник.

И если немного углубится в процесс работы холодильника, то по сути он не «производит холод» а перекачивает тепло, абсорбированное у предметов помещенных внутрь его камеры, в среду вне камеры охлаждения. По такому же принципу организованна работа любой холодильной машины – перемещение тепла от одного физического тела другому,  при этом агрегатное состояние 2-х тел (жидкое, твёрдое либо газообразное) не имеет значения.

Что такое теплота (тепло)?

Физический смысл «тепла» есть – Внутренняя энергия термодинамической системы. Другими словами Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется количеством теплоты́ или просто теплотой. Теплота — это одна из основных термодинамических величин в классической феноменологической термодинамике. Количество теплоты входит в стандартные математические формулировки первого и второго начал термодинамики. Не следует путать температуру и тепло. Конечно же это единицы взаимосвязаны, но могут быть применены в одной системе с учётом массы тела. По другому говоря горячий паяльник с т=200 град. Ц. (градусов Цельсия) содержит намного меньше тепла чем тело человека при т=36,6 град. Ц.

Количество тепла прямо пропорционально массе тела, его общей температуре и его теплоёмкости (способности на одну единицу массы, изменяясь на 1 градус Цельсия (Кельвина)

Температура является всего лишь потенциалом тепловой энергии, соответственно чем больше теплоёмкость, чем больше масса тела, чем больше он имеет высокую температуру, тем больше он смог накопить (принять) общего кол-ва тепла, измеряемого либо в калориях либо в Джоулях как работа, либо в Ваттах как работа/время. Для систем отопления все процессы связанные с передачей, преобразованием, генерацией тепла для удобства рассчитывают в Ваттах (киловаттах)

Градус Кельвина он же градус Цельсия, но без отрицательной шкалы. Цельсий разрабатывал свою систему учёта температуры ранее чем фундаментальная физика продвинулась в изучении термодинамики. Так как тепло можно выразить как внутреннюю кинетическую энергию тела движения молекул, атомов на квантовом уровне, оно не может быть отрицательным, как любое движение. В общем, есть абсолютный 0 Кельвина, который равен -273 градусов Цельсия, ниже такой температуры быть не может, так как при этой температуре прекращаются все процессы связанные с колебанием атомов.

Градус Цельсия и вводит людей в обман понятия что температура может быть отрицательная, так же как и масса, или объём – не могут быть отрицательными величинами. Данная шкала лишь удобная в привычном восприятии температуры, относительно перехода воды в другое агрегатное состояние.

Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров. В первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды). Во втором – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику). В третьем – теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания). Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду (напр. полиэтиленовый) трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость – антифриз. Источником низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода, озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия.
Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники – испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента – распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор. Рабочий цикл выглядит так. Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая тепло, поставляемое коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплового насоса: здесь тепло принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала.


Жидкость в наружном контуре подогревается природным источником тепла и попадает в испаритель. Отобранная энергия передается хладагенту внутри системы. 2. Хладагент (фреон, который кипит при температуре -40ºС), закипая, переходит в газообразное состояние и поступает в компрессор, глее сжимается, вследствие чего нагревается. 3. Горячий фреон подается в теплообменник конденсатора, где, переводя свое тепло в контур системы отопления (водоснабжения), переходит в жидкое состояние. 4. Фреон проходит стадию дополнительного отбора тепла, где его остаточная энергия используется для предварительного подогрева жидкости внутреннего контура, которая возвращается из системы отопления. 5. Фреон проходит дросселирующий клапан, попадает в зону низкого давления испарителя, и, отбирая тепло, закипает. Далее процесс повторяется.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный кВт/час электроэнергии, тепловой насос вырабатывает 2-6 кВт/час тепловой энергии. 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 уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большое количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растет 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. В этом состоит одно из важнейших отличий теплового насоса от традиционных (топливных) источников тепла, в которых вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотворной способности топлива. По этой причине тепловой насос в каком-то смысле “привязан” к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу. Эта проблема может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды.

Доверьте работу профессионалам!