Очень часто принцип работы теплового насоса сравнивают с работой обычного бытового холодильника. Холодильник отбирает тепло у продуктов, затем выбрасывает полученное тепло в  помещение через радиаторную решетку.

Холодильник принцип работы

Холодильник: принцип работы

Тепловой насос «вытягивает» тепло из внешней среды и  отдает полученную энергию в систему отопления. При этом получается, что тепло от холодного источника переносится к тёплому, что не встречается в естественной среде. Что же дает возможность тепловому насосу «развернуть» естественное направление теплового потока?

Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос работает благодаря термодинамическому циклу Карно. Основной компонент цикла  — хладагент. Хладагент это рабочая жидкость способная закипать при низких температурах. Кроме того работоспособность цикла обеспечивают еще четыре важных элемента: компрессор, расширительный клапан (ТРВ), испаритель и конденсатор.

Цикл работы теплового насоса

Цикл работы теплового насоса

Хладагент, находящийся в жидкой фазе продавливается через ТРВ  и поступает в испаритель, этот процесс сопровождается понижением давления рабочей жидкости. В испарителе происходит поглощение тепла от окружающей среды (для воздушного теплового насоса окружающая среда – воздух, грунтового – рассол, водяного — вода). При этом хладагент закипает. На выходе из испарителя хладагент находиться в парообразном состоянии. Дальше он поступает в компрессор, в котором происходит сжатие. В процессе сжатия, давление хладагента повышается, это сопровождается одновременным повышением его температуры.

После компрессора, хладагент поступает в конденсатор, который является теплоотдающим узлом теплового насоса. В конденсаторе хладагент отдает тепло и конденсируется. Это тепло передается системе отопления и ГВС. На выходе из конденсатора хладагент находится в жидкой фазе и снова поступает на ТРВ. Процесс происходит циклично.

Не смотря на кажущуюся сложность цикла, ничего удивительного в нем нет. И принцип работы теплового насоса, довольно легко объясняются законами физики и схожими природными явлениями. В этой статье мы разберем пять основных физических явлений позволяющих понять принцип работы теплового насоса.

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 тепло нельзя извлекать при отрицательных температурах воздуха или грунта. Тепло – это форма энергии связанная с движением (вибрацией) малейших частиц (молекул, атомов, ионов). В общепринятой и привычной нам шкале Целься О˚ это температура замерзания воды. При этом тепла в воздухе содержится значительно меньше чем при 40˚С жары, но всё же оно есть и его можно использовать. Движение частиц полностью останавливается при температуре  – 273˚С, что соответствует 0 ˚ по шкале Кельвина.

2. Тепло поступает от источника с высокой температурой к среде с низкой температурой

Согласно второму закону термодинамики, тепло поступает от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Что бы «развернуть» поток тепла в тепловом насосе используются два теплообменника. В первом теплообменнике (испарителе) хладагент с низкой температурой поглощает тепло от тёплой окружающей среды (воздух, грунт или вода). Во втором теплообменнике (конденсаторе) уже горячий хладагент, после сжатия в компрессоре, передает тепло жидкости с меньшей температурой в контуре отопления.  В обоих случаях выполняется закон передачи тепла от высокотемпературного источника энергии к низкотемпературному.

3. Сжатие газа повышает температуру, расширение снижает температуру

Повышение температуры рабочей жидкости после испарителя происходит за счёт сжатия. Когда газ сжимается, температура, а значит и количество тепла, содержащееся в газе, увеличивается. Это происходит вследствие значительного увеличения вибрации частиц. За этот процесс в цикле теплового насоса отвечает компрессор.

С другой стороны, расширение газа или жидкости приводит к снижению давления и температуры. Расширение происходит в расширительном клапане ТРВ (терморегулирующий вентиль). Работа компрессора напоминает процесс накачки воздухом матраса. Однако из-за того, что мы не в силах увеличить давление воздуха в матрасе в несколько раз, увеличение температуры сжатого воздуха в только что надутом матрасе, совсем минимально и почти не заметно. В свою очередь, процесс расширения похож на распыление из аэрозольного баллончика.

4. Фазовый переход рабочей среды

Если температура жидкости повысилась до точки кипения, то наступает переходная фаза. Во время этой «паузы» жидкая и газообразная (пар) фаза рабочей среды существуют одновременно. Этот процесс продолжается, пока вся жидкость не превратится в пар. Всё поглощённое тепло 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 девается. Всё поглощенное во время испарения (кипения) тепло, затем выделяется при конденсации, т.е. обратном фазовом переходе из пара в жидкость.

Использования фазового перехода, дает возможность значительно увеличить эффективность теплового насоса. Рабочая жидкость контура теплового насоса во время изменения фазы поглощает/выделяет значительно больше тепла, чем при изменении только температуры. К примеру, для выпаривания чайника с водой, необходимо в пять с половиной раз больше тепла чем для того чтобы только вскипятить его. При этом температура во время испарения будет постоянной и равной 100˚С.

Примером может быть ощущение прохлады на коже после опрыскивания духами. Во время испарения  духи поглощают тепло от кожи.

Скрытая теплота парообразования воды

Скрытая теплота парообразования воды

5. Температура испарения и конденсации рабочей среды зависит от давления

Температура, при которой рабочая среда 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 тепло 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 и соответствующему давлению тепловой насос может отбирать тепло из окружающей среды даже при температуре -20˚С и отдавать тепло с температурой 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 температуре 90˚С. На уровне моря, при атмосферном давлении равном 1 бар, вода кипит при  температуре 100˚С. С увеличением давления, увеличивается и температура кипения воды.

Кипение воды при разном давлении

Кипение воды при разном давлении