Очень часто принцип работы теплового насоса сравнивают с работой обычного бытового холодильника. Холодильник отбирает тепло у продуктов (охлаждая их), и затем выбрасывает полученную энергию в помещение через радиаторную решетку.

Холодильник принцип работы

Холодильник: принцип работы

Тепловой насос так же «вытягивает» тепло из внешней среды (воздух, вода, земля) передавая его в систему отопления. При этом получается, что тепло от холодного источника переносится к более нагретому, что не встречается в естественной среде и противоречит второму закону термодинамики.

За счет чего тепловой насос способен «развернуть» естественное направление теплового потока?

Принцип работы теплового насоса

Тепловой насос работает согласно термодинамическому циклу Карно. Основной компонент цикла  — рабочая жидкость (хладагент) имеющая особые термодинамические свойства. Наиболее важным свойством этой жидкости является способность закипать при отрицательных температурах. Что бы заставить хладагент переносить тепло, тепловой насос оснащают четырьмя ключевыми элементами: компрессор, расширительный клапан (ТРВ), испаритель и конденсатор.

Цикл работы теплового насоса

Для удобства описания процессов происходящих в тепловом насосе, разделим цикл на 4 основные фазы:

I Расширение

Хладагент, находящийся в жидкой фазе продавливается через расширительное устройство ТРВ. Задача ТРВ резко понизить давление рабочей жидкости. При относительно низком давлении (около 7 бар) рабочая жидкость способна закипеть даже при т-ре -25 ˚С. Это важно, поскольку кипение и испарение и есть процесс поглощения тепла, 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 начинает испарятся 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 отдает тепло и конденсируется превращаясь снова в жидкость. 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 нельзя извлекать теплоту 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 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 т-ре  – 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 в тепловом насосе используются те самые два теплообменника. В первом теплообменнике (испарителе) хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды (воздух, грунт или вода). Во втором теплообменнике (конденсаторе) уже горячий хладагент, после сжатия в компрессоре теплового насоса, передает тепло в контуре отопления.  В обоих случаях выполняется закон передачи энергии от высокотемпературного источника энергии к низкотемпературному.

Передача тепла в испарителе теплового насоса

 

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 цикле 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 (терморегулирующий вентиль).

Работа компрессора напоминает процесс накачки воздухом надувного матраса. Однако из-за того, что мы не в силах увеличить давление воздуха в матрасе в несколько раз, прогрев сжатого воздуха в только что надутом матрасе, совсем минимальный и почти не заметный. В свою очередь, процесс расширения похож на распыление из аэрозольного баллончика. Распыляя аэрозоль несколько секунд можно ощутить как баллончик становится холоднее в руке.

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 девается 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.

К примеру, для выпаривания чайника с водой, необходимо подать в пять с половиной раз больше тепла чем для того чтобы только вскипятить его. При этом т-ра во время испарения будет постоянной и равной 100˚С.

Так же, примером может быть ощущение прохлады на коже после опрыскивания духами. Во время испарения  духи поглощают тепло от кожи и отводят его с парами спирта.

Скрытая теплота парообразования воды

Скрытая теплота парообразования воды

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  -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  +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.

Кипение воды при разном давлении

Как и многие другие приборы, тепловой насос работает согласно законам физики. Многие из них легко объяснить благодаря явлениям природы которые окружают нас в повседневной жизни.