5 фізичних явищ, що пояснюють принцип роботи теплового насоса

Дуже часто принцип роботи теплового насоса порівнюють із роботою звичайного побутового холодильника. Холодильник відбирає тепло у продуктів (охолоджуючи їх), потім викидає отриману енергію в приміщення через радіаторну решітку.

Тепловий насос так само “витягує” тепло із зовнішнього середовища (повітря, вода, земля) передаючи його в систему опалення. При цьому виходить, що тепло від холоднішого джерела переноситься до більш нагрітого, що не зустрічається в природному середовищі і суперечить другому закону термодинаміки.

За рахунок чого тепловий насос здатний “розгорнути” природний напрямок теплового потоку?

Принцип роботи теплового насосу

В основі роботи теплового насоса лежить зворотний термодинамічний цикл Карно. Ключовий компонент циклу – робоча рідина (холодоагент), що має особливі термодинамічні властивості. Найважливішою властивістю холодоагенту є здатність закипати за негативних температур. Щоб змусити холодоагент переносити тепло, тепловий насос оснащують чотирма ключовими елементами: компресор, розширювальний клапан (ТРВ), випарник та конденсатор.

Розділимо принцип роботи теплового насоса на 4 основні фази:

I Розширення

Хладагент, що знаходиться в рідкій фазі, продавлюється через розширювальний пристрій ТРВ. ТРВ різко знижує тиск робочої рідини. При тиску близько 7 бар холодоагент закипає навіть при -25 ˚С. Це важливо, оскільки кипіння та випаровування і є процес поглинання та виділення енергії, а це необхідна умова для другої фази.

II Кипіння

Після ТРВ рідина надходить у випарник, який є теплообмінником. За його допомогою тепловий насос відбирає тепло від навколишнього середовища. Холодоагент закипає і починає випаровуватися поглинаючи теплоту. У результаті на виході з випарника холодоагент знаходиться повністю в пароподібному стані і всього на кілька градусів тепліше за свій початковий стан. Однак завдяки переходу в пару робоча рідина змогла отримати достатню кількість енергії і готова до наступного етапу.

III Стиснення

Потім холодоагент надходить у компресор, за допомогою якого тепловий насос стискає робочу рідину. У процесі стиснення тиск холодоагенту підвищується, це супроводжується одночасним нагріванням.

IV Скраплення

Після компресора, гарячий холодоагент надходить у конденсатор, який також є теплообмінником. У конденсаторі робоча рідина конденсується віддаючи тепло і перетворюючись знову на рідину. Це тепло передається системі опалення та ГВП. На виході з конденсатора холодоагент знаходиться в рідкій фазі і знову надходить на ТРВ. Процес відбувається циклічно.

Не дивлячись на складність циклу, що здається, нічого дивного в ньому немає. І принцип роботи теплового насоса, досить легко пояснюються законами фізики і схожими природними явищами. У цій статті ми розберемо п’ять основних фізичних явищ, які дозволяють зрозуміти принцип роботи теплового насоса.

Тепло міститься у повітрі та землі навіть при негативних температурах

Однією з перешкод на шляху до розуміння принципів роботи теплового насоса є хибна думка, що неможливо витягувати теплоту при негативних температурах повітря або ґрунту. Тепло – це форма енергії пов’язані з рухом (вібрацією) найменших частинок: молекул, атомів, іонів. У загальноприйнятій і звичній нам шкалі Ціль О˚ це позначка замерзання води. При цьому в повітрі міститься значно менше тепла, ніж при 40˚С спеки, але все ж таки воно є і його можна використовувати. Рух частинок повністю зупиняється при т-ре – 273˚С, що відповідає 0˚ за шкалою Кельвіна.

Тепло надходить від теплого джерела до холодного середовища

Згідно з другим законом термодинаміки, тепло надходить від тіла з високою температурою до тіла з низькою температурою. Щоб «розгорнути» цей потік при роботі теплового насоса використовуються ті самі два теплообмінники. У першому теплообміннику (випарнику) холодоагент з низькою температурою поглинає тепло від навколишнього середовища (повітря, ґрунт чи вода). У другому теплообміннику (конденсаторі) вже гарячий холодоагент після стиснення в компресорі теплового насоса передає тепло в контурі опалення. В обох випадках виконується закон передачі енергії від високотемпературного джерела енергії до низькотемпературного.

Стиснення газу підвищує температуру, розширення її знижує

Тепловий насос нагріває робочу рідину після випаровування за рахунок стиснення. Коли газ стискається, температура, отже, і кількість тепла, що міститься у газі, збільшується. Це відбувається внаслідок значного збільшення вібрації частинок, яким стає “тісно”. За цей процес у роботі теплового насоса відповідає компресор.

З іншого боку, розширення газу або рідини призводить до зниження тиску та температури. Тепловий насос забезпечує це за допомогою розширювального клапана – ТРВ (терморегулюючий вентиль).

Робота компресора нагадує процес накачування повітрям надувного матраца. Однак через те, що ми не в змозі збільшити тиск повітря в матраці в кілька разів, прогрівання стисненого повітря в щойно надутому матраці, зовсім мінімальний і майже непомітний. У свою чергу процес розширення схожий на розпилення з аерозольного балончика. Розпорошуючи аерозоль кілька секунд можна відчути як балончик стає холоднішим у руці.

Фазовий перехід робочого середовища

Якщо рідина нагрілася до кипіння, то настає перехідна фаза. Під час цієї паузи рідка і газоподібна (пар) фаза холодоагенту в контурі теплового насоса існують одночасно. Цей процес триває, доки вся рідина не перетвориться на пару. Основний фокус у тому, що все поглинена енергія йде на випаровування і не викликає зростання температури. Це тепло називають прихованою теплотою, і його кількість у різних речовин по-різному. Хоча це тепло і називають прихованим, згідно із законом збереження енергії воно нікуди не дівається, а лише накопичується і потім передається. Вся поглинена під час випаровування (кипіння) енергія, потім виділяється під час конденсації, тобто. зворотному фазовому переході з пари в рідину

Використання фазового переходу це базис, на якому побудований принцип роботи теплового насоса. Робоче середовище контуру теплового насоса під час зміни фази поглинає/виділяє значно більше тепла, ніж при зміні температури.

Наприклад, для випарювання чайника з водою, необхідно подати в 5 з половиною разів (!) більше тепла ніж для того, щоб тільки закип’ятити його. При цьому т-ра під час випаровування буде постійною і дорівнює 100?

Також прикладом може бути відчуття прохолоди на шкірі після обприскування духами. Під час випаровування духи поглинають тепло від шкіри і відводять його з парами спирту.

Вплив тиску на принцип роботи теплового насоса

Температура, коли робоча рідина конденсується чи випаровується, залежить від тиску. Стискаючи газоподібний холодоагент, компресор також підвищує тиск. При великому тиску процес конденсації відбувається за відносно високих температур, дозволяючи віддавати теплову енергію в конденсаторі теплового насоса в систему опалення.

У свою чергу низький тиск робочого середовища призводить до того, що холодоагент може закипати при досить низькій температурі. Цьому сприяє також основна властивість робочої рідини. Холодоагент випаровується, а значить і поглинає тепло, при -50˚С в умовах атмосферного тиску. Завдяки цій властивості холодоагенту тепловий насос може відбирати тепло з навколишнього середовища навіть при температурі -20˚С і віддавати тепло при +60˚С.

У природі це можна порівняти з кипінням води у горах при розрядженому повітрі. На висоті 3 000 м тиск становить 0,7 бар. У таких умовах вода кипить вже за 90˚С. На рівні моря, при атмосферному тиску, що дорівнює 1 бар, вода кипить при 100˚С. Зі збільшенням тиску збільшується і температура кипіння води.

Як і багато інших приладів, тепловий насос працює згідно із законами фізики. Багато хто з них легко пояснити завдяки явищам природи, які оточують нас у повсякденному житті.