Принцип работы теплового насоса. Принцип работы тепловых насосов

Как работает тепловой насос

Современные тепловые насосы считаются одними из альтернативных и экологичных источников энергии, в противовес традиционным – углю, газу и нефти.

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. 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 противоречит законам физики. 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.

Принцип работы теплового насоса

Хладагент, находящийся в жидкой фазе проходит через ТРВ и поступает в испаритель, этот процесс сопровождается понижением давления хладагента. 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. Далее, 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. Цикл повторяется.

Несмотря на кажущуюся сложность цикла, ничего удивительного в нем нет. Принцип работы теплового насоса, довольно легко объясняется законами физики и схожими природными явлениями.

Ниже, 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 принципа работы теплового насоса является заблуждение, что невозможно извлечь тепло при отрицательных температурах воздуха или грунта. Чтобы развеять это заблуждение, покажем, что же представляет собой теплота.

Теплота – это форма энергии связанная с движением частиц (молекул, атомов, ионов). В общепринятой и привычной шкале Цельсия, 0˚ - 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. Теплота поступает от источника с высокой температурой к среде с низкой температурой

Согласно второму закону термодинамики, теплота поступает от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Чтобы «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.

Передача тепла в испарителе

Передача тепла в конденсаторе

3. Сжатие газа повышает температуру, расширение снижает температуру

Повышение температуры рабочей жидкости в тепловом насосе происходит за счёт сжатия.

Когда газ сжимается, температура увеличивается. Это происходит вследствие значительного увеличения вибрации частиц. Выполнению этого правила, в цикле теплового насоса, отвечает компрессор.

С другой стороны, расширение газа или жидкости приводит к снижению давления и температуры среды. 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. Если мы будем долго распылять аэрозоль в баллончике, то можно почувствовать, как баллончик в руке охлаждается. На этом принципе основана работа всех типов тепловых насосов.

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. Хотя 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. Этот принцип широко используется для эффективной работы теплового насоса.

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 рабочей жидкости.

К примеру, для того, чтобы полностью выпарить чайник 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, пока вся вода не выпариться. Примером может быть ощущение прохлады на коже после опрыскивания духами. Во время испарения, спирт, содержащийся в духах, испаряется и поглощает тепло от кожи.

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, также, 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, также, основное свойство рабочей жидкости контура теплового насоса.

Хладагент испаряется, а значит и поглощает тепло, при температуре -50˚С в условиях атмосферного давления.

Принцип работы теплового насоса, в первую очередь, основан именно на этом свойстве хладагента. При определенном давлении тепловой насос отбирает тепло из окружающей среды даже при температуре -20˚С и отдает 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

Источник

profidom.com.ua

Тепловой насос для отопления дома принцип работы

≡ 1 Ноябрь 2016 · Рубрика: Насосы

А А А Размер текста

Для отопления дома используется множество вариантов систем. Они работают на различных теплоносителях. Обычно это газ, уголь или электричество. Однако совсем не обязательно для получения тепла сжигать топливо. Тепло имеется вокруг нас, во всех природных объектах. Его требуется только собрать и аккумулировать. Именно для этого используется специальная система, которая называется тепловой насос. Она применяется для отопления дома и является достаточно эффективной. Прежде чем выяснять, как работает тепловой насос, рассмотрим основные виды конструкций и оценим их достоинства и недостатки.

Рис. 1 Геотермальный вариант отопления дома

Содержание статьи:

Виды тепловых насосов для отопления дома

Современные устройства, используемые для отопления дома, способны работать в широком температурном диапазоне. По типу переноса тепла они бывают абсорбционными и компрессионными. В абсорбционных устройствах тепло передается непосредственно от источника. В компрессионных используется дополнительный посредник-теплоноситель. Его движение осуществляется при помощи компрессора.

В зависимости от вариантов источников тепла выделяют три основные группы устройств. Одни используют тепло для отопления из воды или грунта, т.е. используют геотермальный источник, вторые – тепло воздуха, а третьи – производственное тепло.

Производственное тепло является ненужным компонентом, который можно эффективно использовать. При работе холодильных установок и многих других агрегатов образуется тепло, которое сбрасывается в атмосферу. Его можно использовать для нагрева теплоносителя и обогрева помещений.

Однако для отопления частного дома чаще используются другие варианты. Геотермальный насос использует тепло, которое имеется в земле и воде. Для его сбора укладываются трубы с теплоносителем. Если обустраивается грунтовый тепловой насос, то трубы располагают в толще грунта, в непромерзающем слое. В средней полосе коллектор надо заглублять более чем на полметра. Это обеспечит стабильное поступление тепла даже в самые холодные месяцы.

Рис. 2 Схема и принцип горизонтального расположения геотермального насоса

Коллектор может располагаться как горизонтально, так и вертикально. При горизонтальном расположении он располагается относительно близко к поверхности, поэтому земляные работы получаются не особенно сложные. Однако такой коллектор занимает значительную площадь. Несмотря на то, что он находится под слоем почвы в два и более метра, сажать на поверхности не стоит не только деревья, но и прочие растения. Во-первых, растения с мощной корневой системой могут повредить коллектор. Во-вторых, может потребоваться обслуживание, которое приведет к нарушению насаждений. В-третьих, установка забирает тепло от грунта, поэтому корни будут в холодной почве. Это приведет к угнетению и гибели растений.

Вертикальные геотермальные коллекторы занимают меньше места и не сокращают полезную площадь участка. Они погружены глубоко, поэтому сезонные перепады температур на получение тепловой энергии практически не влияют. Однако принцип установки такой системы более сложный, поскольку потребуется выкопать траншею значительной глубины.

Рис. 3 Вертикальный геотермальный коллектор для отопления дома

Тепло может извлекаться не только из земли, но и из воды. Оптимальным вариантом является теплый подземный источник. Если такого нет, то подойдет незамерзающее озеро или другой достаточно глубокий водоем. Самое главное уложить на дне теплообменник достаточной площади, чтобы получить нужное количество тепла.

Принцип и схема действия теплового насоса для отопления дома

У теплового насоса достаточно простой принцип действия. Основан он на системе процессов, которые были разработаны еще в девятнадцатом веке. Называется принцип – цикл Карно. Порядок работы следующий.

Рис. 4 Принцип действия геотермальной установки для отопления дома

Сначала берется незамерзающая жидкость, которая играет роль теплоносителя. Это может быть раствор соли, воды со спиртом или гликолевая смесь. Жидкость собирает тепловую энергию и поступает в испаритель.

В испарителе осуществляется контакт с хладагентом, забирающим геотермальную энергию. В качестве хладагента выступают жидкости с низкой температурой кипения, которая составляет примерно пять градусов Цельсия. При контакте с теплоносителем хладагент нагревается и переходит в газообразную форму. Этот первый этап осуществляется при низком давлении.

Далее при помощи компрессора увеличивается давление хладагента и его температура существенно повышается. В таком горячем виде он поступает во второй теплообменник. В нем тепло передается теплоносителю в системе отопления дома. Хладагент в теплообменнике постепенно охлаждается и возвращается в изначальное жидкое состояние.

В жидком виде он опять поступает в коллектор и цикл начинается сначала. Конечно, техническое устройство теплового насоса несколько сложнее. Он создан таким образом, чтобы максимально эффективно забирать тепло и затем его передавать для обогрева помещений.

Принцип действия сохраняется в основных чертах и в том случае, если используется не геотермальный источник энергии, а тепло воздуха. Принцип переноса тепла практически не изменяется. Изменяются только некоторые детали.

Плюсы теплового насоса

Несмотря на сложность обустройства популярность тепловых насосов растет. Объясняется это экономичностью устройства. Для получения тепла необходимо затрачивать электроэнергию, в частности, для работы компрессора. Однако всего на один киловатт потраченной электроэнергии получается от трех до восьми киловатт тепла. Это значительно выгоднее, чем обогреваться непосредственно электричеством.

Другими плюсами этой установки являются безопасность и экологичность. Тепло забирается из окружающей среды, причем в относительно небольшом количестве. На тепловой баланс в масштабах участка это никак не влияет. При работе теплового насоса не используются воспламеняющиеся и взрывоопасные вещества.

Советуем почитать: Тепловой насос своими руками

Поделиться с друзьями: Поделиться с друзьями:

Возможно вам также будет интересно почитать:

Пользуясь сайтом oBurenie.ru вы автоматически соглашаетесь с политикой конфиденциальности для использования любых доступных средств коммуникации таких как: комментарии, чат, форма обратной связи и т.д.

oburenie.ru

Принцип работы теплового насоса, его типы, применение

Проблема истощения энергетических ресурсов Земли становится все более острой. Ученые, энергетики и просто потребители все чаще задумываются об альтернативных источниках энергии. Одним из таких восполняемых самой природой источников можно назвать геотермальные. Многие задумываются над тем, как осуществить термальное отопление для дома. Сделать это можно благодаря установке теплового насоса. Эти устройства становятся все популярнее. Что такое тепловой насос? Это приспособление, сочетающее в себе функциональные особенности кондиционера, водонагревателя и котла отопления. Главная его особенность – высокая степень экологичности, поскольку принцип действия теплового насоса включает задействование в качестве топлива энергию возобновляемых источников природной среды. Сегодня тепловые насосы для отопления дома, их принцип действия, являются экономически самыми выгодными агрегатами, поскольку их эксплуатация не базируется на топливе.

Схема теплового насоса:

Испаритель. Устанавливается на глубине 5–6 метров.
Компрессор. Устанавливается для увеличения давления паров хладагента.
Конденсатор. Через него термическая энергия передаётся теплоносителю.

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы

Как работает тепловой насос? Чтобы понимать принцип работы теплового насоса, потребуется вспомнить, как работает холодильный агрегат, в котором испаряется рабочее вещество и возвращается холод. В нем оно конденсируется, вырабатывая энергию. Потом часть тепла отдаётся на коллектор, после достижения необходимых значений передаётся теплоносителю и распространяется по комнате.

Термальное отопление дома тепловым насосом, принцип действия которого основан на том, что все тела, температура которых выше абсолютного нуля, могут выделять тепло, возможно в широком диапазоне температур. Работа теплового насоса управляется специальными терморегуляторами. Если температура превысит заданное значение, терморегулятор отключает этот прибор от сети, и, наоборот, при падении – включает. Тем самым в помещении поддерживается постоянная температура.

Схема работы теплового насоса

Тепловые насосы, схема которых основана на том, что из окружающей среды они получают температуру от 0 до +7 градусов Цельсия, преобразовывают её до 35–50 градусов. Подробная схема выглядит следующим образом:

Неглубоко в грунте устанавливается специальный трубопровод, в который заложен испаритель. Глубина должна выбираться таким образом, чтобы в любое время года там была температура выше нуля.
К испарителю присоединяют другой трубопровод, залитый хладагентом. Если в нем обеспечить высокое давление, то хладагент вскипает даже при одном градусе по Цельсию. Данный процесс сопровождается поглощением энергии, которая идет в теплоносители, которые размещены в грунте.
С помощью компрессора выкачиваются пары хладагента. Кроме того, компрессор ещё больше повышает давление в арматуре, благодаря чему хладагент разогревается более эффективно.
Затем пары охлаждающей жидкости перемещаются к конденсатору, где изменяется агрегатное состояние вещества. При этом выделяется энергия.
Система теплоснабжения загородного дома поглощает выделенную энергию, которая образовалась вследствие трансформации агрегатного состояния. Охлаждающая жидкость транспортируется по регулирующему дросселю, после чего возвращается к испарителю.

Выгода использования тепловых насосов

Рациональность отопления тепловым насосом заключается в его высокой степени экономичности. Чтобы получить 1 кВт энергии, нужно израсходовать приблизительно 0,2–0,3 кВт электроэнергии на питание компрессора. Выходит, что КПД равняется фантастическим 400–500 процентов. Кроме того, для работы эксплуатируется бесплатная энергия, которая при этом полностью возобновляется. Причём найти источник можно повсеместно. Тепловые насосы для отопления дома настраиваются под конкретные условия эксплуатации, поэтому избытка энергии нет.

Классификация тепловых насосов

Тепловые насосы по принципу работы разделяются на абсорбционные и компрессионные. Первые более выгодны экономически, но они имеют сложную конструкцию, что вызывает некоторые трудности в процессе монтажа.

Они классифицируются следующим образом:

Геотермальные. Обогрев дома тепловым насосом выполняется за счёт подземного тепла. Принцип действия таких насосов для отопления дома основан на том, что температура грунтовых вод даже зимой не бывает ниже 7 градусов.
Воздушные. Забирают тепло атмосферного воздуха. Их установка происходит снаружи, проведение грунтовых работ не требуется. Широко используются при совместной работе с котлом отопления.
Вторичное тепло. Тепловые насосы для отопления дома, принцип работы которых построен на тепловых сбросах, эксплуатируются теперь чаще.

Стоит упомянуть, что принцип работы всех типов тепловых насосов не отличается, но разные устройства имеют свои конструктивные отличия и функционируют по-разному.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

В сравнении с использованием газового котла, термальное отопление имеет больше преимуществ. Основными достоинствами, которыми обладает устройство теплового насоса, является высокая степень экономичности – потребляется незначительное количество электроэнергии, а также абсолютная экологическая безвредность. Среди других достоинств можно выделить следующие:

Высокая степень надёжности агрегата. При его корректном использовании срок службы может превышать 15 лет. Перепады в электросети не наносят вреда деталям.
Комфорт в использовании. Отопление тепловым насосом полностью бесшумное, работа системы не зависит от погодных условий.
Гибкость настраиваемых характеристик. Каждый агрегат настраивается полностью под конкретные условия работы и предпочтения клиентов.
Универсальность. Устройство обладает большим диапазоном мощностей, с его помощью можно обеспечить теплом практически любое помещение.
Эффективность теплового насоса. Принцип работы тепловых насосов основывается не на выработке энергии, а на её переносе, поэтому можно утверждать, что его КПД существенно больше единицы.

При большом количестве плюсов, термальное отопление имеет один недостаток – высокую стоимость оборудования и монтажа, поскольку для его установки нужно выполнить целый ряд подготовительных работ. Но термальное отопление имеет два неоспоримых преимущества – экономически выгодный вид источника тепла и экологическую чистоту получения энергии.