Как работает тепловой насос

Принцип работы теплового насоса достаточно прост. Его суть сводится к работе наиболее важной детали — компрессора. Тепловой насос сжимает рассеяное тепло ( т.н. низкопотенциальное) с помощью компрессора. Таким образом тепловая энергия прохладной воды или воздуха за счет более компактного объема имеет более высокую концентрацию и, следовательно, температуру.

Предположим что температура наружного воздуха во время отопительного периода варьируется от -25 до +15. После того, как тепловой насос сделает свою работу (сжатие), температура воздуха на выходе во внутреннем блоке будет уже около 40 °С. Следует заметить, что непосредственно сам воздух не подвергается сжатию. Сжимается посредник — фреон, который чувствителен к температуре. Он легко заберет тепло у наружного воздуха через испаритель (через фреоновый контур). Точка кипения новейшего фреона R22 около -48°С), т.о. нагретый фреон закипает, а после перехода в газообразное состояние и последующего сжатия компрессором, температура фреона будет достаточна для отдачи тепла через конденсатор внутреннего блока. При дальнейшем снижении температуры наружного воздуха, количество испарившегося фреона в наружном блоке будет постепенно уменьшаться, а энергетический эффект в конденсаторе будет обеспечен дополнительным количеством сжатого компрессором газа при повышении потребляемой мощности.

То есть принцип работы теплового насоса - это обратный цикл Карно, а когда тепловой насос работает на кондиционирование — сам цикл Карно.

Из чего состоит и как работает тепловой насос

Итак, внутренний контур тепловых насосов состоит из следующих компонентов:

• Конденсатор;
• Капилляр;
• Испаритель;
• Компрессор, работающий от электрической сети.

Помимо этого, во внутреннем контуре теплового насоса есть:

• Терморегулятор, который управляет устройством;
• Хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими свойствами и характеристиками.

Хладагент под высоким давлением через капиллярное отверстие попадает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит процесс испарения. При этом хладагент отбирает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель в свою очередь отнимает тепло у наружнего воздуха. Компрессор всасывает хладагент из испарителя, сжимает его, за счёт чего температура хладагента резко повышается и выталкивает в конденсатор. Кроме этого, в конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент отдает тепло отопительному контуру и переходит в жидкое состояние. Процесс повторяется постоянно. Когда температура в доме достигает необходимого уровня, электрическая цепь разрывается терморегулятором и тепловой насос перестает работать. Когда температура в отопительном контуре падает, терморегулятор вновь запускает тепловой насос. Таким образом хладагент в тепловом насосе совершает обратный цикл Карно.

Немного подробнее об этом:

Цикл Карно

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A>Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.

2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б>В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В>Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.

4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г>А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника . При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

Цикл Карно

КПД цикла Карно:

Отсюда видно, что КПД цикла Карно с идеальным газом зависит только от температуры награвателя (Tн) и холодильника (Тх).

Из уравнения следуют выводы:

1. Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;

2. КПД тепловой машины всегда меньше 1.

Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами.

Как мы видим, тепловые насосы перекачивают рассеяную тепловую энергию земли, воды или воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления объекта. Примерно 75% отопительной энергии можно собрать бесплатно из природы: грунта, воды, воздуха и только 25% энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Другими словами, владелецы тепловых насосов экономят 3/4 средств, которые он бы регулярно тратил на дизтопливо, газ или электроэнергию для традиционного отопления. Попросту говоря, тепловой насос с помощью теплообменников собирает тепловую энергию из земли (воды, воздуха) и «переносит» ее в помещение.

Тепловые насосы способны не только отапливать помещения, но и обеспечивать горячее водоснабжение, а также осуществлять кондиционирование воздуха. Но при этом в тепловых насосах должен быть реверсивный клапан, именно он позволяет тепловому насосу работать в обратном режиме.

По материалам http://phyzika.ru и http://atmosystems.com.ua