5 физических явлений объясняющие принцип работы теплового насоса
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.
Тепловой насос, так же «вытягивает» тепло из внешней среды (воздух, вода, земля) передавая его в систему отопления. При этом получается, что тепло от более 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
В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл Карно. Ключевой компонент цикла — рабочая жидкость (хладагент) имеющая особые термодинамические свойства. Важнейшим свойством хладагента является способность закипать при отрицательных температурах. Чтобы заставить хладагент переносить тепло, тепловой насос оснащают четырьмя ключевыми элементами: компрессор, расширительный клапан (ТРВ), испаритель и конденсатор.
Разделим принцип работы теплового насоса на 4 основные фазы:
I Расширение
Хладагент, находящийся в жидкой фазе продавливается через расширительное устройство ТРВ. ТРВ резко понижает давление рабочей жидкости. При давлении около 7 бар хладагент закипает даже при т-ре -25 ˚С. Это важно, поскольку кипение и испарение и есть процесс поглощения и выделения энергии, а это необходимое условие для второй фазы.
II Кипение
После ТРВ жидкость поступает в испаритель, который представляет собой теплообменник. При его помощи, 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
Затем 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 конденсируется отдавая тепло и 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 невозможно 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 при работе теплового насоса 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.
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 работе 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 это базис на котором построен принцип работы 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 5 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.
5. Как избыточное давление влияет на принцип работы теплового насоса?
Температура, при которой рабочая жидкость конденсируется или испаряется, зависит от давления. Сжимая газообразный хладагент, компрессор так же 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.
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.
Проєктуємо, привозимо, монтуємо і запускаємо. Вам залишається лише увімкнути світло.
Дивитися рішення «Під ключ»
Сергей Маринец
Автор - инженер по возобновляемым источникам энергии
Вопрос не в том, можно ли получить тепло из холодного воздуха. Да можно.
Но вопрос в том, что затратив 1 квт энергии на разогрев или на образование пара или на охлаждение… разве я могу получить более 1 квт энергии из воздуха?
Если бы это было так, то сделав закрытый куб со сторонами, например, 100 метров на 100 метров на 100 метров и поместив в него этот «тепловой насос», мы получили бы вечный двигатель — этот куб плюс устройство в нем.
А раз это не так, то вопрос остается — что даст больше энергии — такое устройство «тепловой насос» с КПД естественно меньше 100% или простое сжигание газа и нагрев воды?
Т.е. без расчетов я предполагаю, что отдав 1 квт на сжигание газа и нагрев воды будет иметь КПД больше, чем отдав 1 квт на тепловой насос и взяв полученное от него тепло.
Резюме. Неплохо бы привести КПД такого насоса и других устройств, например газового котла, электронагревателя…
Суть в том, что мы не генерируем тепло тепловым насосом а переносим его изменив его потенциал. Конечно этот процесс не имеет КПД выше 100%. Однако если сравнивать затраченную енергию на перенос тепла с непостредствнной генерацией (например нагрев от электричества), то выходят те самые «заоблачные» коэфициенты.
Эти самые заоблачные коэффициенты и говорят о КПД в разы больше 100%.
А это не так.
Чтобы «принести» с улицы больше тепла (энергии), чем затрачено энергии на сам перенос, нужно использовать, например, освобождающуюся энергия тела, например, как при ядерном взрыве. Но ведь это не так. Все вещества, используемые в «тепловом насосе», не уменьшаются в массе, а значит, мы не можем получить, и скорее всего, не получаем столько дополнительной энергии. Мы просто из холодного воздуха на улице берем тепло, но никак не больше, чем затрачиваем энергии на это «взятие» тепла — ведь массы всех элементов, участвующих в процессе не уменьшаются, а значит и неоткуда брать эту большую энергию.
Поэтому я и делаю вывод, что это обычный маркетинговый ход для продажи «тепловых насосов» и если подтягивают теорию, то нужно не на словах, а с расчетами доказать этот «вечный двигатель». 🙂
Вы смешиваете два разных понятия — КПД и коэффициент преобразования (COP) теплового насоса. ТН не производит тепло из электричества. Он переносит уже существующую тепловую энергию из окружающей среды (воздуха, грунта, воды) в помещение. Поэтому его COP может быть 3–5 и выше — но это не КПД 300–500%.
Для сравнения: у электронагревателя КПД ≈ 100%.
1 кВт электроэнергии → 1 кВт тепла.
У теплового насоса:
1 кВт электроэнергии (на работу компрессора) + 3 кВт тепла, «забранного» из наружной среды = 4 кВт тепла в доме.
COP = 4.
ТН часто сравнивают электрокотлом именно в разрезе того, что оба этих устройства затрачивают электричество для генерации тепла.
Тепловые насосы описаны и рассчитаны в термодинамике ещё в XIX веке. Их работа полностью укладывается в первый и второй законы термодинамики. Тепло наружного воздуха — это кинетическая энергия молекул. Даже при -10°C в воздухе содержится значительное количество тепловой энергии относительно абсолютного нуля (-273°C). Тепловой насос не создаёт энергию — он просто переносит её с более низкого температурного уровня на более высокий, затрачивая на это работу компрессора.
Для ответа немного погуглил.
«…Максимальный КПД устройств для преобразования тепла в электричество варьируется от 3% до более 40%, завися от технологии и температуры источника тепла. Рекордные экспериментальные термофотоэлектрические (TPV) системы достигают >40%…».
Давайте рассмотрим следующую схему «вечного двигателя», исходя из Ваших рассуждений.
1. Берем тепловой насос, который потребляет 1 квт электроэнергии и «выкачивает» из окружающего воздуха 4 квт тепла (а Вы писали, что можно даже 5 квт получить).
2. Эти 4 квт тепла преобразуем обратно в электричество с помощью «термофотоэлектрической (TPV) системы» с КПД, например, 45%.
3. Т.е. получаем 4 квт * 0,45 = 1,8 квт электроэнергии
4. Из 1,8 квт электроэнергии 1 квт направляем на Ваш тепловой насос, а 0,8 квт направляем в «загашник», т.е. аккумулируем.
5. Это и есть супервечный двигатель, который не только вечно работает, но и в итоге с каждой секундой дает нам всё больше и больше энергии — т.е. источник неограниченной энергии.
Всё по Вашим рассуждениям о моем «путании» КПД и COP.
И почему же я не прав, говоря, что «тепловой насос» это маркетинговый ход для того, чтобы доить доверчивых покупателей?
Вдогонку.
Я понимаю, что ТН сам не производит энергию, а переносит ее из «одного места» в другое.
Но использовав часть этой энергии на питание самого ТН, мы и получаем тот вечный двигатель, т.к. уже не нужен внешний источник энергии.
Или вот пример.
1. Берем Куб 100м на 100м на 100м
2. Берем ТН потребляющий 1 квт электроэнергии
3. И этот ТН переносит 4 квт тепловой энергии из одного места внутри этого куба в другое место этого куба.
4. Внутри этого куба размещаем и «термофотоэлектрическую (TPV) систему» с КПД, например, 45%
5. В итоге получаем электроэнергию (1квт) для самого ТН и еще тепловую энергию (800 ватт), которая увеличит температуру внутри этого куба.
6. Через какое-то время температура внутри куба достигнет заоблачных значений — 1млн градусов, 3 млн. градусов…
И так до бесконечности.
Что Вы на это ответите?
Вы снова не хотите принять саме главное фундаментальное понятие ТН, что он не генерирует а ПЕРЕНОСИТ тепловую энергию. В вашем примере Тепловой насос (ТН) с COP = 4: потребляет 1 кВт электричества, переносит 3 кВт тепла, на выходе получается 4 кВт тепла Но новой энергии он не создаёт.
Баланс энергии внутри куба: 4 кВт тепла = 3 кВт перенесённого + 1 кВт электричества. То есть максимум 1 кВт — это добавленная энергия, остальное просто перемещение тепла внутри куба. Для работы TPV нужна разница температур Термофотоэлектрическая система (TPV) работает только если есть: горячий источник и более холодный приёмник. Если весь куб со временем нагреется до одной температуры, разность температур исчезнет и TPV перестанет вырабатывать электричество. Это прямое следствие второго закона термодинамики. КПД 45% для такого устройства сильно круто, нужен огромный холидный резервуар, даже сложно представить его теоритечески. В пределе температуры все равно сравниваються и то есть TPV перестанет производить электричество. При этом СОР теплового насоса тоже будет стеримться к 1. Тогда тепловой насос превращается просто в электронагреватель. Чтобы температура росла, нужно постоянно добавлять энергию извне. В вашей схеме: вся энергия уже внутри куба, система только перераспределяет её. Это аналог попытки сделать вечный двигатель второго рода, который противоречит второму законом термодинамики.
И еще вдогонку.
А Вы учитываете время, за которое ТН получит 4 квт тепла?
Если за 1 час, то это «вечный двигатель», т.к. потребил 1квт электроэнергии, а произвел 1,8 квт электроэнергии.
А если за большее время, то прикиньте, что выгоднее использовать, сжигание газа или перенос тепла с помощью ТН, но не за 1 час, а например, за 8 часов.
Тут я совсем не понимаю ваш комментарий. Откуда взялось 1,8 кВт «произведенной» электроэнергии? Каким образом тут время влияет на мощность?
1. В последних моих комментариях 1,8 квт взято из расчетов (4 квт * 45% = 1,8 квт, где 45% это КПД преобразователя тепла в электроэнергию).
2. Время влияет не на мощность, а на энергию:
энергия = мощность * время
Итак, чтобы окончательно разбить Ваши рассуждения, мне нужен Ваш ответ на вопрос.
На Ваш ТН мы затрачиваем электроэнергию 1 квт*час.
А сколько тепловой энергии переносит Ваш ТН
4-5 квт*час или всё же меньше 1 квт*час?
Основная ошибка в Ваших рассуждениях это неточность в терминологии.
Вы говорите, что ТН переносит энергии в 4-5 раз больше, т.е. 4-5 квт.
Но квт это единица измерения мощности. А единица измерения энергии квт*час.
Я говорю о потребленной ТН мощности 1 квт*час.
А Вы говорите о переносе тепла 4-5 квт — т.е. о мощности, а не об энергии.
Да ТН может перенести тепловую энергию, но за какое время?
Если, например, 4-5 квт за 8 часов, то это 0,5-0,6 квт*час, а ТН потребляет 1 квт*час. И КПД такого ТН 50-60%, а КПД газового котла 90-98%.
Вот именно поэтому я и говорю, что ТН это чисто маркетинговый ход продавцов ТН для продажи ТН.
Главное заблуждение это сравнение с КПД котла. У теплового насоса нет «КПД» в классическом смысле, потому что он не производит тепло, а переносит его из окружающей среды.
Если перейти к энергии (как вы хотите):
за 1 час работы получаем: потребление: 1 кВт·ч, тепло: 4–5 кВт·ч.
За 8 часов: потребление: 8 кВт·ч, тепло: 32–40 кВт·ч.
Нет необходимости ходить по кругу, все ответы уже написаны в комментариях выше и в самой статье. Это не мои рассуждения а факты основанные на законах физики.
КПД ТН имеет прямое отношение к передаче тепловой энергии.
аккуратно посчитайте, если сможете, энергию хладагента, пара в точках перехода из одного состояния в другое и увидите, что законы физики сохраняются, и тепловая энергия на выходе Вашего ТН (перенесенная из окружающей среды) не только не будет больше, чем потребленная ТН электроэнергия, а будет значительно меньше, исходя из тех же законов физики.
И подчеркиваю не температура, не мощность, а именно энергия на выходе ТН.
Что-то расширяется, кипит, сжимается, сжижается.
Но при всех этих процессах передается энергия — не температура…, а энергия.
Раз масса хладагента не уменьшается, значит неоткуда браться дополнительной энергии для самого процесса.
Если что-то расширяется, то после расширения это имеет меньшую энергию, т.к. есть потеря энергии.
Если увеличивается температура, то энергия уменьшается, т.к. есть потеря энергии.
Если образуется пар, то его энергия уменьшается, т.к. есть потеря энергии, и т.д.
Во всех внутренних процессах преобразования вещества, кипения, конденсации… первоначальная энергия (электроэнергия, а ведь изначально именно она тратится на расширение, сжатие…) постепенно уменьшается. И на выходе Вы НЕ получите пар или жидкость с энергией, большей начальной.
Я снова обращаю ваше внимание, что нигде в комментариях или в статье не написано о том, что где-то берется дополнительная энергия. Энергия переноситься и повышается ее потенциал. На это расходуется электроэнергия компрессором и да этот процесс имеет свой КПД естественно ниже 100%. Любое устройство с циклом Карно именно так и работает, будь то кондиционер или холодильник. Окружающая среда имеет достаточно энергии чтобы ею пользоваться в том числе для нужд отопления.
Всё-таки хочется понять и увидеть, где в моих рассуждениях, я ошибся.
Еще раз по пунктам (более-менее подробно) алгоритм моих рассуждений:
1) ТН не производит непосредственно тепло
2) ТН берет тепло из внешнего воздуха
3) т.к. в ТН в нерабочем выключенном состоянии не происходит отбор тепла из внешнего воздуха, то перед тем, как взять Х1 количество тепла, нужно создать условия для взятия этого количества тепла, т.е. в Вашем ТН сначала нужно убрать куда-то не менее, а точнее более Х1 количества тепла (т.к. КПД этого процесса менее 100% — есть потери тепла)
4) отбирание тепла происходит за счет внешней энергии (в моем примере 1 квт*час электричества), которая воздействуя на механическое устройство (насос) использует свойства хладоагента внутри ТН при его расширении/сжатии.
5) масса хладоагента не меняется, а значит, сам по себе хладоагент вследствие законов физики, как бы мы не него не воздействовали, не может добавлять какое-либо количество энергии
6) при воздействии на вещество может выделяться большое, огромное количество энергии, но это или
а) аннигиляция — но при аннигиляции мы не возвращаемся к первоначальному состоянию вещества
б) термоядерная реакция — но мы также не возвращаемся к первоначальному состоянию вещества
в) и т.д. — т.е. мы не можем выделить энергии больше, не разрушив само вещество, т.е. вернувшись к первоначальному состоянию, а хладоагент остается неизменным — значит он не создает дополнительное тепло
6) т.о., ТН за 1 час не может взять из внешнего воздуха и накопить энергии больше, чем 1 квт*час
7) далее ТН отдаст эту энергию, но не более 1 квт*час
8) эта отдача энергии начнется, но через 1 час, т.к. нельзя накопить 1 квт*час меньше, чем за час (при подаче электроэнергии именно 1 квт*час)
9) т.о., ТН не перенесет из внешнего воздуха энергии больше, чем Вы подаете на Ваш ТН электроэнергии, т.е. ТН перенесет энергии не более 1квт*час, а если учесть потери энергии, то менее 1 квт*час.
Можете конкретно указать пп., где я ошибаюсь и объяснить ошибку?
Если не можете, то я прав, говоря, что ТН это просто устройство, которое берет тепловую энергию из внешнего воздуха и переносит ее в Ваш дом, но не больше, чем затраченная электроэнергия, и он, скорее всего, не лучше газового котла.
Мы топчемся по кругу, но я снова все же отвечю по пунктам, где именно ошибка:
Пункт 3 — первая и главная ошибка
Вы пишете, что нужно «сначала убрать куда-то тепло». Это неверное представление о принципе работы. ТН не накапливает тепло перед передачей — он переносит его непрерывно и одновременно: забирает с одной стороны и отдаёт с другой. Никакого предварительного «накопления» нет.
Пункт 5 — ключевая физическая ошибка
Вы пишитите так: масса хладагента не меняется и поэтому он не может добавлять энергию. Это неверная логика. Хладагент не создаёт энергию — он её переносит. Источник энергии это внешний воздух. Хладагент просто рабочее тело, посредник, как вода в трубе радиатора. Вода тоже «не создаёт» тепло, но переносит его.
Пункт 6 (первый) — ошибка в аналогиях
Вы ищете источник «дополнительной» энергии в аннигиляции и термоядерном синтезе. Но никакой «дополнительной из ниоткуда» энергии нет. Есть перенос уже существующей тепловой энергии из холодного воздуха на улице в тёплый дом. Электричество тратится не на производство тепла, а на работу компрессора, который создаёт разницу давлений, заставляющую тепло течь как бы против градиента, из холода в тепло.
Ну и далее тоже соответственно пошли неверные рассуждения. Если хотите понятную аналогию, то могу привести пример с лифтом. Он не создаёт высоту — он перемещает груз вверх, тратя электричество. ТН не создаёт тепло — он перемещает его снаружи внутрь, тратя электричество. Никто не удивляется, что лифт поднимает 500 кг, потребляя энергию, эквивалентную подъёму 100 кг. Остальные 400 кг — это просто механическая работа в пользу груза.
Пример с лифтом неудачный.
В шахте лифта за кабиной находится противовес. Его масса обычно равна массе пустой кабины плюс 40–50% от грузоподъемности лифта. Если лифт рассчитан на 500 кг, противовес уравновешивает вес кабины и, например, 200-250 кг груза.
Поэтому, когда лифт поднимает 500 кг (полная нагрузка), двигателю нужно поднять не все 500 кг, а лишь разницу между весом кабины с людьми и противовесом. Противовес «тянет» кабину вверх, работая в паре с двигателем.
Т.е. этот пример не катит.
Но я поразмыслю над остальным сказанным Вами.