Принцип работы теплового насоса

Может ли холодное тело быть нагревателем? Нет? Вы ошибаетесь!

Например, чтобы сохранить начавшее таять мороженое, вы кладете его в холодильник. Мороженое холоднее, чем воздух в комнате, но теплее чем воздух в холодильнике. Следовательно, мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника. Через некоторое время оно отдаст ему некоторое количество теплоты, в результате чего охладится и перестанет таять. Разберемся, почему холодильник способен охлаждать тела, то есть изучим его принцип действия.

Основные части холодильника следующие:

  • радиатор – черная решетка позади холодильника,
  • испаритель – морозильная камера внутри холодильника
  • и компрессор – насос с электродвигателем.

Радиатор и испаритель сделаны из тонкой трубки, заполненной легко сжижающимся газом – фреоном.

Работает холодильник следующим образом.Компрессор, отсасывая фреон из испарителя, под большим давлением накачивает его в радиатор. Поскольку над Фреоном совершается работа, то, согласно первого закона термодинамики, внутренняя энергия фреона возрастает. И он нагревается приблизительно до 60-70°С, передает свою теплоту воздуху в комнате и постепенно охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку фреон сильно сжат компрессором, то есть находится под большим давлением, то по мере охлаждения фреон постепенно превращается в жидкость – сжижается. В месте перехода трубки радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком)расположен дроссель – узкое отверстие.

Дроссель препятствует свободной циркуляции фреона, то есть способствует образованию высокого давления.Поскольку из испарителя фреон постоянно отсасывается компрессором, то,продавливаясь через дроссель, сжиженный фреон попадает в область низкого давления. Резкое понижение давления приводит к бурному испарению жидкого фреона – его кипению. Поскольку кипение – это разновидность парообразования, то оно сопровождается поглощением теплоты.

Трубка испарителя становится холоднее, тем самым охлаждая продукты внутри холодильника.

При атмосферном давлении фреон кипит примерно при +20°С.

При пониженном же давлении, как, например, в трубке испарителя, фреон кипит приблизительно при –20°С. Именно такая температура и устанавливается в испарителе вблизи дросселя.Далее холодный (и уже газообразный) фреон движется по длинной трубке, обвивающей морозильную камеру. Находящиеся там продукты (например, начавшее таять мороженое) передают часть своей внутренней энергии фреону,и он нагревается примерно до –10°С. Приблизительно такая температура и сохраняется внутри морозильной камеры.

Далее фреон попадает в компрессор, и цикл повторяется.

Таким образом, холодильник не "вырабатывает" холод, а лишь является тепловым насосом.

Он перекачивает теплоту из камеры холодильника наружу и передает ее окружающему воздуху.

В нашем примере теплота, отобранная Холодильником у мороженого, будет перенесена к радиатору и, в конечном счете, попадет к воздуху в комнате.

Не удивительно ли: охлаждением холодного тела – мороженого – мы согрели теплое тело – воздух в комнате? Да, не привычно! Однако это явление не противоречит второму закону термодинамики, поскольку теплопередача происходила не самостоятельно, а в результате совершения механической работы тепловым насосом.

Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника; его можно использовать и в качестве обогревателя.

Зимой, например можно отбирать теплоту у морозного воздуха за окном и передавать ее воздуху в комнате.

Однако это экономически невыгодно; дешевле использовать обычное водяное отопление.

Принцип действия теплового насоса - это холодильник наоборот

Источником тепла может быть скалистая порода, земля, вода или, например, воздух.  Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю (озеро) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5оС.

Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. После прохождения через конденсатор жидкий хладагент может быть еще более охлажден, а температура прямой воды системы отопления увеличена посредством дополнительно установленного сабкулера. Давление хладагента, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается,  хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Отопительный фактор теплонасосa выражает эффективность его работы. Позволяет получить представление, во сколько раз энергия, извлеченная теплонасосом, больше энергии, им израсходованной. Отопительный фактор уменьшается с понижающейся температурой, при которой энергия извлекается.

  • Теплонасос забирает у природы энергию с низкой температурой и „перекачивает“ ее на высшую температуру
  • Как правило, источником тепла являются воздух или земля
  • Отапливает дом, действует как нагреватель для горячего водоснабжения или воды бассейна
  • Расход электрической энергии намного меньше, чем объем извлеченного тепла