Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Термодинамика и тепломассообмен

Теплопроводность

Низкотемпературные процессы и аппараты

В настоящее время используются низкотемпературные установки, начиная со сверхпроводящих устройств, установок разделения газовых смесей, установок для ожижения природного газа, и кончая холодильными установками для хранения пищевых продуктов, систем хладоснабжения ледяных арен, искусственных горнолыжных трасс, установок кондиционирования воздуха, криомедицинского инструмента.

2. Тепловой насос

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger). Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал своё тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.

В 1940-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нём возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 1970-х годах, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты (англ. COP — сокр. от coefficient of performance) и служит показателем эффективности теплового насоса. Для вычисления COP используется следующая формула:

$$COP={\frac {Q_{consumer}}{A}}={\frac {Q_{in}·k}{A}}$$

где $COP$ — безразмерный коэффициент; $A$ — работа, совершенная насосом, Дж; $Q_{in}$ — теплота, забираемая тепловым насосом из источника низкопотенциального тепла, Дж; $Q_{consumer}$ — теплота, полученная потребителем, Дж; $k$ — коэффициент полезного действия.

То есть $COP = 2$ означает, что тепловой насос переносит полезного тепла в два раза больше, чем затрачивает на свою работу.

Величина $A$ показывает, какую работу необходимо совершить тепловому насосу для «перекачки» определенного объёма тепла. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: то есть температура теплоносителя в «холодной части устройства» должна быть всегда ниже температуры источника низкопотенциального тепла, чтобы энергия от источника низкопотенциального тепла смогла произвольно перетечь к теплоносителю или рабочему телу (Второе начало термодинамики).

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности более ёмкий источник низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла сохраняется возможность теплу самопроизвольно перетекать от источника низкопотенциального тепла к теплоносителю. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы запас теплоты ($С·m·T$, $C$ — теплоёмкость, $m$ — масса, $T$ — температура) низкопотенциального источника тепла был бы как можно больше.