Из холодильника тепловой насос: Страница не найдена – Совет Инженера — mkada.ru

Содержание

Тепловой насос (холодильник)

Как вы думаете: может ли холодное тело быть нагревателем? Нет? Вы ошибаетесь! Например, чтобы заморозить начавшее таять мороженое, вы кладёте его в «морозилку» холодильника. Мороженое холоднее, чем воздух в комнате, но теплее, чем воздух в морозильной камере холодильника. Следовательно, мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника. Через некоторое время оно отдаст воздуху некоторое количество теплоты, в результате чего охладится и перестанет таять.

Разберёмся, почему холодильник способен охлаждать тела, то есть изучим его принцип действия. Начнём с устройства. Радиатор – чёрная решётка позади холодильника, испаритель – морозильная камера внутри него и компрессор – насос с электродвигателем. Радиатор и испаритель сделаны из металлической трубки, заполненной легко сжижающимся газом – хладоном или другим.

Компрессор откачивает хладон из испарителя и под большим давлением накачивает его в радиатор. Поскольку при этом над хладоном совершается механическая работа, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия газообразного хладона возрастает (см. § 6-з). Хладон нагревается приблизительно до 60–70 °С.

Двигаясь снаружи холодильника по радиатору, газообразный хладон передаёт свою теплоту воздуху в комнате и постепенно сам охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку хладон сжат компрессором, то есть находится под давлением, по мере охлаждения в радиаторе он постепенно становится жидким – конденсируется.

В месте перехода трубки радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком) расположен дроссель – узкое отверстие. Дроссель препятствует свободному циркулированию хладона, то есть способствует наличию высокого давления в радиаторе. Поскольку из испарителя хладон постоянно откачивается компрессором, продавливаясь через дроссель, сжиженный хладон попадает в область низкого давления.

При атмосферном давлении жидкий хладон кипит примерно при +20 °С. В трубке испарителя давление ниже атмосферного, поэтому хладон закипает и кипит там примерно при –20 °С, снова превращаясь в газ. Вспомним, что кипение невозможно без постоянного поступления теплоты. Поэтому трубка испарителя интенсивно «отбирает» теплоту у продуктов в морозильной камере. При этом продукты охлаждаются, а хладон в трубке нагревается, и его температура возрастает приблизительно до –10 °С.

Далее хладон снова попадает в компрессор и продолжает циркулировать, становясь то жидким и горячим, то газообразным и холодным. Как видите, холодильник не «вырабатывает» холод, а является тепловым насосом. Он, перемещая хладон по замкнутой системе трубок, «перекачивает» теплоту из морозильной камеры наружу. В нашем примере теплота, «отобранная» испарителем у мороженого, будет перенесена к радиатору и, в конечном счёте, попадёт к воздуху в комнате.

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

Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника или кондиционера; его можно использовать и в роли обогревателя. Зимой, например, можно «отбирать» теплоту у морозного воздуха за окном и передавать её воздуху в комнате. В магазинах бытовой техники можно встретить «обратимые» кондиционеры, которые летом перекачивают теплоту из комнаты на улицу, а зимой – с улицы в комнату, обогревая её.

Принцип работы теплового насоса. Отопление дома тепловым насосом.

Система отопления дома на основе теплового насоса – достойная альтернатива «классическим» системам отопления. Что такое тепловой насос и в чем его отличие от традиционных устройств?

На фото:

Технологии будущего

По-европейски. Отопление дома тепловым насосом с каждым годом получает всё большее распространение на Западе. Европейцы ценят его за экологичность, экономичность и безопасность. Кроме того, ставка на возобновляемые источники энергии – это модная тенденция. В нашей стране эти системы отопления редкость, а некоторые домовладельцы даже не подозревают об их существовании. Нет и достаточного числа грамотных специалистов, способных проектировать, монтировать и в дальнейшем обслуживать оборудование. Но ситуация постепенно меняется…

Принцип работы теплового насоса

Холодильник наоборот.

Тепловой насос – это устройство для переноса энергии от теплодатчика с низкой температурой (окружающей среды) к теплоприемнику с высокой. Представьте себе холодильник, который не выводит тепло от теплых продуктов наружу, а наоборот, нагнетает из теплый воздух из помещения в холодильную камеру.

Объясняя на пальцах, если холодильник лишить испарительной камеры и «закопать»в холодную землю – мы получим тепловой насос. А если организовать омывание его стенок водой, то нагретая жидкость может подаваться в радиаторы отопления и обогревать дом.

На фото:

Принципиальная схема устройства теплового насоса.

Источник тепла&nbsp– подземные воды.

Тепловой насос перекачивает низкопотенциальную тепловую энергию внешних источников в высокопотенциальное тепло для отопления дома. Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4 кВт тепловой энергии. Существует три разновидности систем: земля-вода, вода-вода и воздух-вода.

На фото:

Внутреннее устройство насоса и компрессора.

На фото: насос F1245 от фабрики Nibe.

Достоинства тепловых насосов

Безопасность. В системах отопления на базе теплового насоса, в отличие от газового, твердотопливного или дизельного водогрейного котла, не происходит сжигания топлива. А нет горения – нет и опасности возникновения пожара. Не нужно иметь запас горючего, которое может воспламениться по той или иной причине. Потребляемая электрическая мощность оборудования невелика – по сравнению с той, что необходима для работы компрессора, испарителя, циркуляционных насосов и автоматики управления.

Поэтому вероятность поражения электрическим током весьма мала. Однако установка устройства защитного отключения в цепи питания теплового насоса – в соответствии с рекомендациями производителей – все равно будет не лишней.

Экологичность. Используя естественные возобновляемые источники тепловой энергии, агрегат не наносит ущерба природе, так как нет выброса продуктов сгорания топлива в атмосферу. В этом его большое преимущество по сравнению, например, с дизельным или твердотопливным котлом.

Экономичность. Большую долю расходов на отопление обычно составляют затраты на покупку горючего – будь то газ, солярка или твердое топливо. При использовании теплового насоса эту статью расходов можно исключить: нуждаясь лишь в малом количестве электроэнергии (чуть большем, чем бытовой холодильник), он является наиболее дешевым в эксплуатации. Но изначальные затраты на установку системы отопления очень велики. Об этом – в следующей статье: «Недостатки тепловых насосов»).

В статье использованы изображения vaillant.com, nibe.eu, rosteplocom.ru

Принцип работы теплового насоса | Полезное

Интерес к использованию экономных систем отопления обусловлен не только кризисными явлениями в экономике, но в большей степени ограниченными запасами классических энергоносителей, таких как уголь, газ, нефть. Преобразование электричества в тепло также не эффективно.

Альтернативным вариантом является использование в качестве главного агрегата отопительной системы теплового насоса. Он позволяет отбирать тепло с воздуха, воды или недр земли и передавать его в отопительную систему.

Как устроен тепловой насос?

Принцип действия теплового насоса базируется на использовании физических явлений происходящих при переходе веществ с одного агрегатного состояния, например, газообразного, в другое – жидкое, и наоборот.

Если пролить на руку бензин, то ощущается чувство холода. Быстрое испарение бензина, которое требует дополнительной энергии. Эффект охлаждения при быстром испарении жидкости используется в холодильных камерах. В них используется фреон с отрицательной температурой кипения, а испарение происходит под давлением от компрессора в специальном испарителе с маленьким отверстием.

Большой перепад давлений приводит к моментальному испарению жидкого фреона с понижением температуры, вследствие чего появляется возможность отбора тепла от продуктов в морозильной камере. В холодильнике циклически происходит и другой процесс, обратный испарению. Газообразный фреон при помощи того же компрессора резко сжимается и переходит в жидкое состояние. При этом выделяется тепло, которое отдается наружу на конденсаторе (сетка на задней стенке). Таким образом, холодильник отбирает тепло у продуктов и выводит его наружу.

Если холодильник вмонтировать в стену и открыть дверцу, то он будет забирать тепло (охлаждать) в одной комнате и отдавать тепло (нагревать) в другой. Именно этот принцип заложен в основу работы теплового насоса.

«Холодильник наизнанку», так еще называют тепловой насос. Функциональные элементы и принцип работы теплового насоса такие же, как у холодильника, только тепло он забирает с воздуха, подземных вод или почвы ниже зоны промерзания, а отдает его в систему обогрева помещения. Тепловой насос является своего рода усилителем тепла от естественных источников с низкой температурой.

Какими бывают тепловые насосы

Прежде чем устанавливать систему отопления с тепловым насосом следует определиться в доступности низкотемпературных источников тепла, технической и экономической целесообразности их использования. Принцип работы теплового насоса при этом остается неизменным, но варианты его построения могут быть разными:

Геотермальный тепловой насос. В качестве источника отдачи тепла используются слои грунта ниже зоны промерзания. Отбор тепла осуществляется при помощи горизонтальных или вертикальных трубопроводов, по которым циркулирует жидкость с низкой температурой кипения;

водный насос. Источником тепла служат подземные или незамерзающие поверхностные водоемы. В качестве последних могут быть коллекторы сточных вод с крупных предприятий, тепловых электростанций и прочие;
«бросовые» тепловые насосы. В качестве низкотемпературного энергоносителя могут использоваться вентиляционные магистрали, канализационные трубопроводы и другие источники тепла, которое не используется для других целей.

Главный узел теплового насоса, содержащий компрессор, испаритель, конденсатор и другие функциональные агрегаты занимает объем примерно, как холодильник. В зависимости от системы отбора тепла и системы отопления, в которую будет осуществляться отдача тепла, конструкция тепловых насосов может существенно отличаться.

При выборе системы отопления тепловым насосом надо учитывать ряд факторов, таких как:

сезонность проживания;
средние температуры в данной местности;
теплопотери отапливаемого объекта;
доступность различных источников тепла.

Возникли вопросы?

Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!

Принцип действия теплового насоса | Viessmann

Принцип работы теплового насоса очень напоминает по своей сути работу холодильника. В то время как холодильник отводит тепловую энергию и направляет ее наружу, то есть из внутренней части холодильника, тепловой насос делает наоборот: он забирает тепловую энергию от окружающей среды за пределами помещения и преобразует ее в полезную для отопления. Тепловой насос может забирать тепловую энергию как из воздуха внутри помещения или снаружи, так и из грунтовых вод и почвы. И поскольку температура полученного тепла, как правило, не достаточна для того, чтобы отапливать здание или обеспечивать его горячей водой, в дело вступает термодинамический процесс.

Процесс охлаждения в подробностях

В независимости от того, какой тип теплового насоса используется для отопления, в функционал теплового насоса также входит процесс охлаждения, который происходит в четыре этапа.

1. Испарение

Для того, чтобы начать процесс испарения жидкости, необходима энергия. Этот процесс можно наблюдать на примере с водой. Если емкость с водой нагревается до 100 градусов Цельсия (тепловая энергия подается) вода начинает испаряться. При дальнейшем подаче тепловой энергии температура воды не повышается. Вместо этого вода полностью преобразуется в пар.

2. Сжатие газа

При сжатии газа, например воздуха (давление увеличивается), также повышается температура. Вы можете наблюдать это например, если вы придержите отверстие в велосипедном воздушном насосе и начнете процесс «накачки» воздуха, вы почувствуете тепло.

3. Конденсация

Согласно закону сохранения энергии при конденсации водяного пара, высвобождается тепловая энергия, которая ранее использовалась для испарения.

4. Расширение

При резком снижении давления в жидкости, находящейся под давлением, температура снижается в несколько раз. Это можно наблюдать на примере баллона с сжиженным газом для кемпинговой горелки. Открытие клапана может привести к образованию льда на клапане баллона с жидким газом даже летом. (Здесь давление снижается с 30 бар до 1 бар.)

Постоянное повторение процесса

Эти процессы происходят внутри теплового насоса в замкнутом контуре. Для транспортировки тепла используется жидкость (хладагент), которая испаряется при очень низких температурах. Чтобы испарить эту жидкость, используется тепловая энергия из земли или наружного воздуха. Для этого достаточно даже температуры в минус 20 градусов по Цельсию. Холодные пары хладагента затем очень сильно сжимаются компрессором. При этом их температура возрастает до 100 градусов Цельсия. Эти пары хладагента конденсируются и отдают тепло в систему отопления. Затем давление жидкого хладагента на расширительном клапане сильно снижается. При этом температура жидкости снижается до исходного уровня. Процесс может начинаться заново.

Процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса

Проще всего объяснить этот процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса: тепловой насос «воздух-вода» может состоять из одной или двух составляющих. В обоих случаях встроенный вентилятор активно направляет окружающий воздух в теплообменник. Через теплообменник проходит хладагент, который переходит из одного состояния в другое при очень низких температурах. Внутри теплообменника хладагент нагревается воздухом из окружающей среды и постепенно переходит в газообразное состояние. Для повышения температуры, возникающих при этом паров, используется компрессор. Он сжимает пары хладагента и увеличивает как давление, так и их температуру до требуемого значения.

Другой теплообменник (конденсатор) затем передает тепло от нагретых паров хладагента на отопление (теплые полы, радиаторы, буферная емкость или водонагреватель). Хладагент, находящийся под давлением отдает тепло, его температура падает и он снова переходит в жидкое состояние. Перед тем, как поступить обратно в контур, хладагент сначала расширяется в расширительном клапане. После того, как он достигнет своего исходного состояния, процесс процесс в холодильном контуре может начинаться с самого начала.

варианты изготовления из холодильника и кондиционера, пошаговые руководства

Для хозяев частных домой всегда остро стоит вопрос обогрева дома. Можно использовать центральное газовое или водное отопление, но можно изучить и другие варианты. Такой альтернативой является . Сэкономить можно с помощью самостоятельного сооружения, используя старую технику.

Принцип работы и схема теплового насоса

Теплонасосы способны работают от натуральных источников энергии. Прибор выделяет тепло без дизельного или твердого топлива.

При обустройстве отопительной системы главную роль занимает теплонасос. Его постройка требует особого внимания.

Сам насос не может выделить тепло, он просто переносит его в дом. На это требуется небольшое количество электричества. Достаточно иметь тепловой насос и внешний источник энергии для обогрева здания. Работает насос противоположно холодильнику. Тепло забирается снаружи и направляется в помещение.

Схема теплового насоса:

Компрессор – промежуточный элемент системы;
Испаритель – элемент передачи низкопотенциальной энергии;
Дроссельный клапан – по нему перемещается фреон в испаритель;
Конденсатор – в нем хладагент охлаждается и отдает свое тепло.

Сначала энергия выделяется из природных источников и попадает в испаритель. Дальше тепло передается фреону. В компрессоре хладагент поддается высокому давлению и его температура повышается. Дальше фреон направляется в конденсатор, где и происходит его отдача отопительной системе. Хладагент возвращается в испаритель, где процесс повторяется.

Самодельный тепловой насос из холодильника: этапы создания

Тепловой насос – достаточно дорогой прибор. Но при желании можно своими руками соорудить устройство из старого холодильника или кондиционера. Холодильное устройство имеет в своей системе две необходимые для насоса детали – конденсатор и компрессор.

Этапы сборки теплового насоса из холодильника:

Сначала собирается конденсатор. На вид это волнистый элемент. В холодильнике он размещен сзади.
Конденсатор необходимо уложить в прочный каркас, который хорошо удерживает тепло и переносит действие высоких температур. В определенных случаях приходится разрезать тару, чтобы беспроблемно установить конденсатор. По окончанию монтажа емкость сваривается.
Дальше идет установка компрессора. Необходимо, чтобы агрегат был в хорошем состоянии.
Функцию испарителя выполняет обыкновенная пластиковая бочка.
Когда все будет подготовлены, следует скрепить элементы между собой. К отопительной системе теплообменник крепится трубами из ПВХ.

Так получается самодельный тепловой насос. Закачку фреона должен проводит профессионал, так как жидкость непроста в работе. К тому же для ее закачки необходимо иметь специальное оборудование.

Тепловые насосы из старой бытовой техники отлично подходят для обогрева небольших помещений хозяйственного назначения.

Холодильник может выполнить роль радиатора. Потребуется сделать два воздухоотвода, которые обеспечат его циркуляцию. Один отвод принимает холодный воздух, второй – выпускает горячий.

Виды теплонасосов: нюансы работы теплообменника фреон-вода

Природный источник энергии может представлять собой систему скважинного типа, грунтового или водоемного. Каждый вариант уникальный. Отличается принцип работы и монтаж.

Когда источником энергии является скважина, необходимо пробурить соответствующее отверстие в земли. В м источника можно добыть 50-60 Вт энергии. Для нормальной работы теплонасоса потребуется 20 м.

Особенности получения энергии со скважины:

Главные плюсы – компактность и большая теплоотдача;
Минус – сложности при .

Когда источником тепла выступает грунт, то труба залегает на глубину ниже уровня промерзания земли. Для укладки трубы можно вырыть котлован или траншею.

Добыча энергии с земли достаточно трудный процесс, который требует большой площади, которая не будет доступной к эксплуатации.

Если поблизости размещены водоемы, то можно положить трубу в источник воды. Главное требование – достаточная глубина. В 1 кв м воды можно получить 30 Вт энергии. Для фиксации труб на глубине к ним прикрепляется груз.

В некоторых случаях в качестве источника используют воздух. Такой насос содержит хладагент. В этом случае подходит фреон из холодильника. Вещество забирает тепло из воздуха и отдает помещению.

Контроллер для теплового насоса и другие элементы системы вода-вода

Трубы помещаются в ближайший водой в достаточно глубиной. Важно, чтобы вода полностью не промерзала. Конденсатор подключается к отопительной системе дома. Сама работа имеет 4 этапа.

Этапы работы насоса вода-вода:

Хладагент принимает тепло от внешнего источника, нагревается и закипает;
Фреон в виде газа поступает в компрессор, там он сжимается под давлением;
Теплоотдача отопительной системе, хладагент снова принимает жидкое состояние;
Фреон возвращается на изначальные позиции и готов к принятию тепла.

Главное в данной системе – компрессор. Фреон не сможет самостоятельно сконденсироваться, если в доме высокая температура. Для этого потребуется повышенное давление, что и выполняет данный элемент.

Так теплонасос берет наружное тепло, добавляет собственное, а также нагревается в компрессоре. Водный источник охлаждается, а дом обогревается. Автоматику работы гарантирует контроллер. Все данные отмечены на датчиках давления и температуры.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника (видео)

Тепловой насос имеет простой принцип работы. Переделка существующей сплит-системы требует особых знаний, но можно черпать энергию из натуральных источников. Ими может послужить колодец, грунт, водоем, воздух.

Итак, стояла задача сделать компрессор для обеспечения сжатым воздухом воскового инжектора, ранее описанного здесь. Расход воздуха для инжектора- минимальный, главное- автоматическое поддержание давления длительное время. Давление должно регулироваться в пределах от 0,5 до 2 кг/см2. Но в тоже время, если уж делать, то расхода должно хватать и на обеспечение аэрографа и даже краскопульта с соплом до 0,5 мм (с рессивером, конечно).
Но в тоже время, чтобы не плодить девайсы под моим столом (всё же квартира не резиновая), нужно, чтобы это устройство выдавало необходимое разряжение для вакуумирования формомассы, а также для вакуумирования двухкомпонентных силиконовых резин. (Сразу предупреждаю, что густые типа виксинта он не потянет).

Наиболее доступными для этих целей всегда были компрессоры от холодильников. Поэтому спецу в мастерской по ремонту холодильников была поставлена задача подобрать компрессор помощней и наиболее подходящий для баловства. Что и было сделано за 1 (одну) бутылку. Поэтому от какого холодильника этот компрессор, осталось для меня загадкой. Забыл спросить на радостях:O) Итак, сам компрессор. Прежде всего было спилено оголовье компрессора, чтобы получить доступ ко внутренностям для дальнейших разрушений.
Внутренности компрессора со стороны минусовой линии. Слева внизу- пусковое реле. Его крепить строго вверх головой!

Нужна для того, чтобы не разбирая корпус девайса, посмотреть уровень масла.

Внутренности компрессора со стороны плюсовой линии. Трубки маслостойкие с рынка автомобильных запчастей.
На фото видно почему не следует переворачивать компрессор вверх ногами. Мотор подвешен посреди корпуса на трёх пружинах, которые в свою очередь крепятсяк клиньям, просто вставленным в уши на корпусе. Мотор вынимается просто поднятием вверх.
Далее отпиливаем всё, что нам не нужно. плюсовую и минусовую линию соединяем маслостойкими(!) трубками с оставленными в корпусе обрезками медных трубок. Причём это можно теперь сделать, не там где они были, а там, где удобно нам.
Крышка. Отпиленный кусок не подойдёт, так как нужно, чтобы масло стекало по нутру крышки внутрь ёмкости. Пришлось сделать крышку из латунной фольги на пайке. Изнури рёбра жёсткости, снаружи- приклеенный линолеум для демпфирования звука. Сверху крышки- подобие сапуна.

Как впоследствии выяснилось, при надёжной герметизации трубок плюса и минуса, внутри камеры давление не меняется (атмосферное). То есть крышка только для сбора масла и чтобы пыль не попадала. Обратите внимание- вал с отверстием, из которого при работе во все стороны льётся масло. Далее, для контроля уровня масла, я сделал выносной уровнемер. Компрессор, как и все масляные компрессоры, гонит в систему масляной туман, поэтому уровень масла постепенно понижается. Индикатор из оргстекла (старая ручка), с метками минимума и макс, на резьбе с герметиком. Сверху индикатор закрыт колпачком от пыли, но не герметично.

Далее всё это хозяйство помещаем в корпус. Рама из уголка 25х25. Стенки корпуса из чего найдёте. Я нашёл алюминий 3 мм. Чтобы посмотреть уровень масла не пришлось разбирать половину девайса, сделал на правой боковине дверцу на защёлке.
Далее, обвязка. Как вы уже успели догадаться, обвязка в этом девайсе двух типов: электрическая и пневматическая. Ничего, что я так умно? :o)
Начнём с пневматической. Из неё уже будет следовать электрическая.

1- минусовой вход (всасывающий штуцер)
2- входной фильтр. Очистка поступающего воздуха. Автомобильный фильтр тонкой очистки ФТ-206.
3- манометр степени разряжения. Нормального в тот момент не было, поэтому взял до 2 кг/см2 и выставил стрелку на 1 кг/см2. Будет индикатором. Все равно на вакуумной камере стоит нормальный, им и пользуюсь.
4- компрессор от холодильника.
5- фильтр воздушный ФВ-6. Расход до 6 м3/час или до 100 л/мин. До сих пор выпускается нашей промышленностью. В гугл. Фильтр снабжен пробкой для слива масла, для улавливания коего он и предназначен.
6- нормальный манометр 0- 2 кг/см2. Как показали испытания, компрессор давит и до 6 кг/см2, но для моих целей этого манометра хватает.
7- электропневматический (разгрузочный) клапан. Об этом ниже.
8- обратный клапан. Ниже.
9- выходной нагнетающий штуцер.
10- рессивер. Внешнее устройство для компрессора.
11- пневморегулятор. Внешнее устройство. Стоит на рессивере. Для автоматического поддержания давления в рессивере. Для регулировки давления снабжён винтом. При понижении давления в рессивере включает компрессор.

Важно! Компрессор нельзя запускать в магистраль с давлением. Пусковая обмотка сгорит. При пуске движка компрессора возрастает ток через рабочую обмотку, катушка в пусковом реле втягивает сердечник с контактной площадкой. Контакты запитывают пусковую обмотку. Движок раскручивается. После раскрутки движка ток через рабочую обмотку падает. Сердечник под действием силы тяжести падает вниз и размыкает пусковую обмотку. Если не стравить давление в магистрали, ток рабочей обмотки не падает и пусковая обмотка горит.
Поэтому возникает необходимость в устройствах, обозначенных на схеме буквами.. (пардон, это из другого кино:) цифрами 7 и 8.
Электропневматический клапан и обратный клапан (на переднем плане в разрыв трубки).

У меня не было эл. пневмоклапана на 220 вольт, поэтому пришлось ставить трансформатор. Надеюсь, вы не будете так делать. (Сейчас можно найти в интернете устройства, заменяющие на моей схеме девайсы 7 и 11. Они называются реле давления, либо переключатели давления. Купить можно, например, . В этих реле давление не регулируется, но ничто не мешает вам поставить на выходе редуктор).
Используется нормально- открытая пара штуцеров на клапане. При включении компрессора клапан закрывается, воздух через обратный клапан идёт на выход в рессивер. Надули рессивер. Компрессор отключается, клапан тоже и стравливает в атмосферу давление с участка компрессор — обратный клапан. Если не будет обратного клапана, воздух из рессивера тоже выйдет. А оно вам надо?

Электрика.

Ну, здесь должно быть всё понятно.
ПР- предохранитель.
Питание тумблером подаётся, но можно без тумблера- всё равно включают компрессор верхние кнопки. Значит, верхнее самое- пневмоэлектрическое реле на рессивере. Затем педаль с кнопкой. Я ей пользуюсь для вакуумирования. Реле или педаль подключаются через разъём ШР.
На левом фото управление от педали., на правом от ПЭ реле.

В качестве рессивера применил старый огнетушитель. Над разъёмом ШР кнопка включения. Это чтобы проверить работу компрессора, когда внешнее управление не подключено. В первом варианте включалась лампочка подсветки уровня масла 🙂
Кстати, о масле. Вопрос не так прост, как кажется. Можно, конечно, п рименить специальное компрессорное типа VDL100 , но мы не ищем лёгких путей. Поэтому пробовал моторные масла. Жигулёвское в условиях неотапливаемого гаража не хотело подниматься по отверстию внутри вала. Наилучшим оказалось моторное камазовское. Компрессорное даже не пробовал.
Ну вот вроде и всё. Стоит под столом. Наверх только две трубочки. Если что упустил, потом дополню.

Вакуумные насосы ныне активно используются в промышленной и бытовой сфере. Их стоимость высока, поэтому далеко не каждый хозяин может себе позволить ценное приобретение. Впрочем, не обязательно покупать заводскую модель, установку можно сделать и своими руками. Собирать с нуля достаточно сложно, гораздо проще будет, если взять за основу какое-нибудь готовое изделие, например, компрессор.

Манипуляции с автомобильным компрессором

Велосипедный либо автомобильный компрессор отлично подойдёт для создания ручного вакуумного насоса своими руками.

Порядок действий:

На гильзе насоса откручивают крышку, а после извлекают шток с манжетой. Если выкрутить винт, – манжета отсоединится. Её нужно будет присоединить обратно другой стороною. По завершению манипуляций шток возвращают на место.
К трубке, с помощью которой насос нагнетал воздух, присоединяют обратный клапан. Пластиковое изделие можно найти в магазинах комплектующих для компрессорного и насосного оборудования.

Трубку надевают на свободный конец клапана. Выбирая, следует ориентироваться на прочность материала, изделие должно выдерживать атмосферное давление. После этого вакуумный насос считают полностью готовым.

Модификация аквариумного насоса

Переделать аквариумный компрессор в вакуумный прибор совсем не сложно, достаточно поменять местами клапаны. На компрессоре откручивают крепления при помощи отвёртки. Внутри конструкции разбирают узел, в составе которого находится деталь с клапанами. Её демонтируют и осуществляют перестановку элементов. Для этого нужно отпилить уголок корпуса и собрать узел в обратной последовательности.

Жидкость и накопившийся конденсат смогут удаляться самостоятельно, если проделать отверстие в нижней стенке устройства. Отвод для газов делают при помощи клея и трубочки. Компрессор от холодильника представляет собою практически готовый вакуумный насос. Следующая инструкция подскажет, как сделать полноценную установку своими руками.

Инструменты и материалы

Для создания вакуумного насоса нужны следующие инструменты:

Плоскогубцы;
Сварочный аппарат;
Ножовка для работы с металлом;
Паяльник.

Необходимые материалы:

Компрессор от холодильника;
Латунная фольга;
Уголок из стали, размером 2,5х2,5 см;
Трубки стойкие к воздействию масел;
Кусок линолеума.

Описание процесса

Вакуумный насос делают следующим образом:

Для начала спиливают ножовкой верхнюю часть компрессора.
Потом из корпуса извлекают подвешенный на пружинах мотор. Инструменты здесь не нужны – он не закреплён.
Медные трубки, что находятся в корпусе, соединяют с трубками стойкими к маслу, стыкуя с линиями «+» и «-» на моторе. Лишние элементы срезаются.
Вскрытый корпус необходимо снабдить крышкой. Она должна быть немного меньше отпиленного фрагмента, чтобы масло имело возможность стекать внутрь ёмкости (по её краям). Крышку лучше всего сделать из латунной фольги, используя паяльник. Её внутреннюю сторону снабжают рёбрами жёсткости, а внешнюю – оклеивают линолеумом (для шумоизоляции).

Важно! Нередко в крышку монтируют сапун. Это дополнительное средство, защищающее от утечки, в случае, если соединения между трубками были выполнены не слишком тщательно.

Во время работы компрессора непременно теряется некая часть масла, выбрасываемая в нагнетательную линию в качестве масляного тумана. Отслеживать расходы помогает трубчатый уровнемер. Он должен находиться за прозрачной трубкой, которая соединяется с ёмкостью при помощи шланга. Трубку можно заменить корпусом от шариковой ручки.

Уровнемер прикрывают колпачком для защиты от пыли, оставляя доступ для воздуха. На механизме своими руками проставляют отметины, обозначающие максимальный и минимальный уровень масла. Место стыковки трубки и шланга уплотняют герметиком.

Готовую конструкцию помещают в бокс. Его каркас делают из стального уголка размером 2,5х2,5 см. Любой листовой материал может выступить в качестве обшивки. В боковую стенку следует вмонтировать дверь, чтобы снимать показания с уровнемера, не извлекая вакуумный насос из бокса. Для фиксации будет достаточно самой простой защёлки.

Последующие действия

Всасывающий патрубок соединяют с воздухофильтром. К ним, через тройник, подключают манометр. Он будет показывать уровень разрежения.
Нагнетательный патрубок соединяют с воздушным фильтром, имеющим функцию улавливания масла. Фильтр имеет пробку. Если её выкрутить, можно избавиться от накопившегося масла.
Если готовое изделие планируют использовать и как компрессор, без манометра не обойтись. Его устанавливают после маслоуловителя, на линии нагнетания.

Важно! При выборе манометра следует учесть, что уровень давления может достичь 6 атмосфер.

Избыточное давление совершенно не допустимо в момент запуска двигателя. Требование обусловлено спецификой пусковой схемы. Во время запуска ток, который возникает в рабочей обмотке, включает в пусковом реле электромагнит. Он притягивает сердечник с контактами. Контакты замыкаются и подают на пусковую обмотку ток. При нормальном давлении двигатель раскручивается в кратчайшие сроки. В итоге ток в рабочей обмотке падает, электромагнит размыкает пусковую обмотку и отпускает сердечник. При избыточном давлении в линии нагнетания, высокая нагрузка приведёт к быстрому износу пусковой обмотки.

Подобное явления можно предотвратить, если установить на линии нагнетания электропневноклапан, а за ним – обратный клапан. Первый включают в цепь мотора и тогда, он будет открыт, пока установка не функционирует, а во время её включения – закроется.

Подобные предосторожности не имеют смысла, если компрессор будет использоваться для простых целей, к примеру, для продувки. Тем не менее, если планируется подключение какого-нибудь устройства для накопления давления, без электропневноклапана и обратного клапана не обойтись.

Важно! Когда в пусковом реле отключается электромагнит, сердечник падает, поэтому его установка на боку или в перевёрнутом виде совершенно не допустима.

Вакуумный насос готов, остаётся лишь через предохранитель подключить электричество.

Особенности эксплуатации

Самодельное устройство лучше всего расположить под столом, на столе оставляют только нагнетающую и всасывающую трубку и манометр. Для удобства запуска агрегат снабжают педалью, посредством которой и осуществляется его включение.

Хорошей альтернативой традиционному отоплению загородного дома, особенно если нет возможности подвести газ, может явиться тепловой насос. Действие такого насоса основано на использовании новейших научных разработок в области использования различных альтернативных источников энергии. Требуемое тепло получается извлечением из земли, воздуха и воды.

У нас в России тепловые насосы пока новинка, но в других развитых странах они выпускаются и успешно применяются уже более тридцати лет. На нашем рынке низкий спрос можно объяснить двумя основными причинами:

незнание населением принципов действия и свойств тепловых насосов из-за практически полного отсутствия сведений об этом в средствах массовой информации и печати;
высокой стоимостью тепловых насосов.

Перед тем как сделать тепловой насос своими руками, необходимо остановиться на двух моментах: что это за агрегат и каковы принципы работы такого насоса.

Тепловой насос — это машина, которая поглощая из окружающей среды (земля, воздух, вода) низко потенциальную тепловую энергию может передавать её в системы теплового снабжения в виде нагретого воздуха или воды. Рабочим телом для теплопередачи является фреон.

Практически, тепловой насос — это холодильник с обратным действием, вместо холода вырабатывается тепло. Электроэнергия затрачивается только для перемещения фреона по внутреннему контуру насоса, поэтому затраты на неё относительно невелики.

Вся система работает при отоплении как котёл, а при охлаждении как кондиционер.

Принцип действия

Обратите внимание! Выделяемое в летнее время тепло можно успешно использовать для подогрева бассейна.

Изготовление

Тепловой насос может быть изготовлен из имеющихся в хозяйстве деталей или путем приобретения дешёвых бывших в употреблении запасных частей. Порядок изготовления установки следующий:

Приобретаем готовый компрессор в специализированных магазинах или используем компрессор от обычного кондиционера. Закрепляем его к стене, где будет располагаться наша установка. Надёжность крепления обеспечивается двумя кронштейнами L-300.
Изготавливаем конденсатор. Для этого из нержавеющей стали бак с объемом около ста литров разрезаем пополам. Устанавливаем в бак змеевик из тонкой медной трубки с толщиной стенки не менее 1 мм. Для змеевика можно приобрести сантехническую трубку или применить медную трубку от старого холодильника. Змеевик изготавливаем следующим образом:

на кислородный или газовый баллон наматывается медная трубка, важно выдержать небольшое расстояние между витками, которое должно быть одинаковым;
для фиксации положения витков трубки берём два перфорированных алюминиевых уголка и прикрепляем их к змеевику таким образом, чтобы каждый виток нашей трубки был расположен напротив отверстия в уголке. Уголки обеспечат одинаковый шаг расположения витков и придадут геометрическую неизменяемость всей конструкции змеевика.

После установки змеевика, половинки бака свариваем между собой, предварительно вварив необходимые резьбовые соединения.
Изготавливаем испаритель. Берем обычную закрытую ёмкость из пластмассы объёмом 60 или 80 литров. В неё вмонтируем змеевик из трубки диаметром в ¾ дюйма и резьбовые соединения для труб слива и поступления воды (допускаются обычные водопроводные трубы). Готовый испаритель также закрепляем на стене при помощи L -кронштейнов необходимого размера.
Приглашаем мастера для сборки системы, сварки медных трубок и закачки фреона. Не имея опыта работы с холодильным оборудованием, не надо пробовать выполнить эту работу самостоятельно. Это может привести к выходу из строя всей конструкции и чревато получением тяжёлых травм.

После готовности основной части нашей системы, необходимо выполнить её подсоединение к устройствам распределения и забора тепла.

Сборка установки забора тепла зависит от типа насоса и источника тепла.

Видео

В следующем видеоматериале подробно рассказано об особенностях тепловых насосов:

Подробнее об устройстве самодельного насоса в следующем ниже видео:

Фото

Тепловые насосы для отопления дома –принцип действия

Многих интересует принцип действия теплового насоса.

Все очень просто. В каждом доме есть обычный бытовой холодильник. Это тот же тепловой насос, только наоборот. Когда мы ставим кастрюлю с супом во внутрь, то холодильник отбирает тепло от супа и «выбрасывает» его в кухню. Т.е., через какое-то время суп остывает, а стенки холодильника становятся горячими. Вот эти горячие стенки и есть тепло которое забрали у супа.

Теперь в камеру холодильника поместим коробки с землей. Холодильник также отберет тепло из земли и отдаст это тепло в кухню. Только в этом случае земля отдаст тепло и все, а в случае, если холодильник без компрессора и конденсатора (это наши горячие трубки) зарыть в огороде, то компрессор не будет выключаться, потому что, как только он охладит рядом с собой землю и появится перепад температур, то тепло земли устремится в направлении холодильника. Это тепло будет поступать вечно. Если же мы горячие трубки поместим в тазик с водой, то вода нагреется. Вот и весь принцип. Низкопотенциальное тепло забираем от земли и с помощью компрессора нагреваем газообразный фреон, который через теплообменник нагревает воду в системе отопления. Это примитивное объяснение работы теплового насоса. Теперь немного физики и устройства.

Основные элементы теплового насоса участвующие в отоплении дома:

— Компрессор

Компрессор – сердце всей системы. Чаще всего, компрессоры в тепловых насосах устанавливаются от известных производителей. Такие компрессоры имеют высокое качество сборки и надежность.

— Теплообменник 1 (испаритель)

— Теплообменник 2 (конденсатор)

Теплообменники. Чаще всего в тепловом насосе применяется паянный теплообменники. Он состоит из нескольких пластин спаянных между собой герметично. С одной стороны пластины подается жидкость, с другой фреон.

Испаритель – это теплообменник, в котором фреон из жидкого состояния превращается в газообразное.

Конденсатор – это теплообменник в котором наоборот, фреон из газообразного состояния превращается в жидкое.

— Контроллер

Контроллер – «мозги» теплового насоса, который управляет работой всей системой и обеспечивает защиту оборудования от поломок.

— Фреон

Фреон – это посредник, который отбирает тепло у источника энергии и отдает его к потребителю (воде в системе отопления).

— Источник энергии

Источник энергии – в качестве источника может служит земля, вода из скважины, водоем, воздух. Это неисчерпаемые источники энергии

— Нагреваемая вода в системе отопления

Вода в системе отопления. Это та привычная для нас вода, которая течет по трубам к нашим радиаторам и водяным теплым полам.

Процесс, происходящий внутри теплового насоса

Мы все помним, как в школе нам рассказывали на уроке физики, что вода на Эвересте начинает кипеть при температуре +30С. Это происходит из-за того, что вершина Эверест находится на километры выше от уровня моря и давление там очень низкое.

Тот же принцип использован и в холодильной технике. На стороне испарителя давление низкое и вода или рассол, приходящий из земных глубин имеет невысокую температуру, но все равно такие условия позволяют закипать фреону и превращаться в пар. При этом фреон отбирает тепло от жидкости, пришедшей из земли в испаритель. Для примера. В испаритель может прийти жидкость температурой 0С, а уйти с температурой -4С. Мы отобрали всего четыре градуса, но при большом объеме приходящей жидкости этого достаточно. Единственное, чем выше температура приходящей жидкости, тем экономичней работает тепловой насос, тем дешевле нам обходится отопление. Сам же фреон может кипеть и при более низких температурах, но и давление в системе должно быть более низким. Ниже приведена таблица кипения для самых популярных фреонов

Тот пар, который образовался в результате кипения, засасывается компрессором. В компрессоре происходит сжатие до очень высокого давления. В результате газ нагревается до высокой температуры. Многие помнят, когда накачиваешь велосипедную шину ручным насосом, там, где присоединяется шланг, корпус насоса нагревается. Также и в компрессоре холодильной техники.

Этот нагретый газ поступает во второй теплообменни к, который называется конденсатором. В нем газ превращается в жидкость (конденсируется) и опять идет в испаритель. Цикл замкнулся. В конденсаторе с одной стороны пластины горячий газ, с другой стороны вода из системы отопления. Газ передает тепло воде, нагревая ее и остывает, превращаясь в жидкость. Давление с этой стороны компрессора высокое. Вот и весь принцип действия теплового насоса.

Что такое коэффициент преобразования КОП?

Дальше надо понимать, что чем выше температура жидкости приходит в испарители, и меньше температура на которую необходимо нагреть воду системы отопления, тем выше коэффициент преобразования теплового насоса КОП. Коэффициент преобразования — это соотношение затраченной энергии к произведенной тепловым насосом тепловой энергии. Чем КОП выше, тем выше КПД теплового насоа. Приведем пример. Допустим теплопотери дома 10 кВт. Если из земли жидкость придет около 15С, а воду в теплых полах нам нужно будет нагреть до 35С, то коэффициент преобразования будет около 5. Если из земли придет жидкость около 4С, а воду в системе отопления нужно будет нагреть до 50С, то коэффициент преобразования будет в районе 2,5. Соответственно, в первом случае, чтобы компенсировать теплопотери нам понадобится 2 кВт электричества, во втором 4 кВт. Соответственно и заплатим мы во втором случае в два раза больше.

Геотермальный контур – еще один теплообменник

Если в качестве низкопотенциального тепла используется воздух или вода из скважины, которая затем сливается другую скважину, то мы напрямую забираем тепло у источника и возвращаем его обратно в природу. Если же используется геотермальный контур или вертикальные зонды, то в процессе работы теплового насоса участвует еще один теплообменник. Для внешнего контура обычно используется ПНД труба и теплообмен происходит через стенки трубы. Вышедшая из теплового насоса незамерзающая жидкость (рассол), медленно движется по трубам и собирает тепло земли, нагревается на несколько градусов и возвращается обратно в тепловой насос, где и отдает собранное тепло. Это замкнутая система. В качестве рассола чаще всего используют смесь пропиленгликоля и воды. Температура замерзания такого рассола делается в районе -15С.

Вот и все, что можно рассказать о принципе действие теплового насоса. Правильная установка теплового насоса обеспечивает его надежность на протяжении десятилетий.

Принцип действия теплового насоа — видео

Тепловой насос

Тепловой насос — это универсальный прибор, сочетающий в себе отопительный котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер. Основное отличие теплового насоса от всех остальных источников тепла заключается в его исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Порядка 80% от выдаваемой мощности тепловой насос фактически «выкачивает» из окружающей среды, используя рассеянную энергию Солнца. Т.е на 1 затраченный киловатт электрической энергии можно получить от 2 до 4 киловатт полезной тепловой энергии

Как работает тепловой насос
Холодильник, всем известно, переносит тепло из внутренней камеры на радиатор и мы пользуемся, холодом внутри холодильника. Тепловой насос — это холодильник «наоборот». Он переносит рассеянное тепло из окружающей среды в наш дом.

Принципиальная схема контура хладагента теплового насоса

Преимущества теплового насоса
• Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого условного КПД (от 200% до 400%) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 2-4 кВт тепловой энергии, или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе
• Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, как для окружающей среды, так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов — это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу. Тепловые насосы установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2-2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива.
• Безопасность. Нет открытого пламени, нет сажи, нет выхлопа, нет запаха солярки, исключены утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для топлива.
• Надежность. Минимум подвижных частей. Высокий ресурс работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15-25 лет.
• Комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный климатический контроль создают комфорт и уют в помещениях.
• Гибкость. Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.
• Универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой).
• Широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч кВт).

Таблица 1. Приблизительные данные зависимости площади помещения и мощности теплового насоса

№	Отапливаемая площадь, кв. м	Мощность теплового насоса, кВт	Альтернативный источник тепла
№	Отапливаемая площадь, кв. м	Мощность теплового насоса, кВт	Скважина	Земляной коллектор	Водный коллектор
1	80–120	4,5	60м	250м	250м
2	130–180	6	90 м	350м	350м
3	200–250	8	110м	400м	400м
4	250–300	10	140 м	450м	450м
5	300–350	12	170 м	500м	500м
6	350–400	14	195м	600м	600м
7	400–500	16	2х110м	2х350м	2х350м

Область применения тепловых насосов поистине безгранична. Все вышеуказанные преимущества этого оборудования позволяют легко решать вопросы теплоснабжения городского комплекса и объектов, расположенных вдали от коммуникаций, — будь то фермерское хозяйство, коттеджный поселок или АЗС на трассе. В целом тепловой насос универсален и применим как в гражданском и промышленном, так и в частном строительстве.
Потребности России в таком оборудовании огромны и востребованной представляется вся «линейка» тепловых насосов мощностью 5, 10, 25, 100 и 1000 кВт. Так, в средней полосе России для отопления дома площадью 100 м2 необходимо иметь тепловую мощность в 5-10 кВт, а насоса с тепловой мощностью 100 кВт достаточно для отопления типовых школ, больниц и административных зданий. Тепловые насосы мощностью 1000 кВт удобны для задач возврата тепловых отходов, использования горячих источников. По оценкам специалистов, стоимость установки теплового насоса в российских условиях оценивается примерно от 300 долларов США за 1 кВт тепловой мощности при сроке окупаемости оборудования от двух до четырех лет, что в первую очередь зависит от цен на топливо и климатических условий конкретного региона.
Введение в эксплуатацию порядка 100 тысяч тепловых насосов суммарной тепловой мощностью в 2 ГВт позволит дать тепло 10 миллионам человек при среднем сроке службы теплового насоса в 15 лет. Объем продаж такого оборудования может составить более полумиллиарда долларов в год.

В «ООО КЭП Лаборатория вариаторов» с 2000-го года непрерывно ведутся работы и инженерные изыскания по повышению эффективности тепонасосных установок для условий Южного Урала, и исследования в области источников низкопотенциального тепла.

Преимущество теплового насоса достигается за счет низкого энерогопотребления.(ниже чем традиционного отопления в 3-4 раза). Высокая общая инертность системы теплонасосного отопления позволяет накапливать тепло в ночной период(с 23.00 до 7.00) , используя электрическую энергию по вдвое сниженным ночным тарифам.

Применения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рисунок 1.Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему. Это тепловые машины, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы. Передача тепла происходит из холодного резервуара Q _c и в горячий.Для этого требуется потребляемая мощность Вт , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q _h = Q _c + W . (Обратите внимание, что Q _h, Q _c и W положительны, их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q _h происходить в теплой среде, например, в доме зимой.Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q _c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и нагревательный элемент в одном устройстве. В этом разделе мы сосредоточимся на его режиме обогрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении.Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q _h и Q _c противоположны направлениям в тепловом двигателе. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA. Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q _c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q _h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает Q _h = Q _c + W . Теплоотдача происходит от наружного воздуха даже при температуре ниже точки замерзания во внутреннее пространство. Вы платите только за W и получаете дополнительную теплоотдачу Q _c извне бесплатно; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что затраты на работу (требуемые вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q _c происходит к рабочему телу из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплопередача Q _c происходит к рабочему телу в испарителе (3) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость.Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения.(В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _h происходит в теплом помещении, по сравнению с тем, сколько требуется трудозатрат Вт . Исходя из соотношения между тем, что вы получаете, и тем, что вы тратите, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP _л.с.) как [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex].

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], мы видим, что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP _л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q _ч, чем затраченные на него работы. Это. Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур.Эффективность идеального двигателя, или двигателя Карно, равна [латексному] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ left (\ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \ справа) \\ [/ латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше COP _{л. с.} (потому что [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они приносят пользу работе теплового насоса , а не — вместо этого они уменьшают затраты труда, преобразовывая часть его в теплоотдачу обратно в холодный резервуар, прежде чем он попадет в холодный резервуар. Тепловой насос.

Рис. 4. Когда настоящий тепловой двигатель работает в обратном направлении, часть запланированной работы ( W ) идет на теплопередачу, прежде чем она попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия. На этом рисунке W ′ представляет часть W , которая идет в тепловой насос, в то время как остаток W теряется в виде тепла трения ( Q _f) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q _h было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не было бы диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне.Следовательно, его горячая и холодная температура резервуара не может быть слишком близкой, что ограничивает его COP _л.с.. (См. Рис. 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если температура горячего резервуара составляет 45,0 ° C, а температура холодного резервуара —15,0 ° C?

Стратегия

Перевернутый двигатель Карно будет работать с максимальной производительностью в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], поэтому нам нужно сначала вычислить эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

КПД Карно по абсолютной температуре определяется по формуле:

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Температура в кельвинах составляет T _h = 318 K и T _c = 258 K, так что

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {258 \ text {K}} {318 \ text {K}} = 0,1887 \\ [/ latex].

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} = \ frac {1} {0.1887} = 5,30 \\ [/ latex], или [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex] так что Q _h = 5,30 W.

Обсуждение

Этот результат означает, что теплопередача тепловым насосом в 5,30 раз больше, чем вложенная в него работа. Это будет стоить в 5,30 раза больше для той же теплопередачи от электрического комнатного обогревателя, чем для теплопередачи, производимой этим тепловым насосом. Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4.3 Дж на 1 Дж работы от розетки.

Рис. 5. Передача тепла снаружи внутрь, а также работа, проделанная для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости. Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Рисунок 6.В жаркую погоду происходит передача тепла от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальные в предыдущем примере; их значения COP _л.с. колеблются от 2 до 4. Этот диапазон означает, что теплопередача Q _h от тепловых насосов в 2–4 раза больше, чем работа, вложенная в них W .Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку W обычно получают за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла путем сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость. Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги.Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой. На рисунке 6 показан тепловой насос, называемый в некоторых странах « обратным циклом» или «охладителем сплит-системы » .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к горячему требуется дополнительная работа, а это дорого.О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, какой объем теплоотдачи Q _c происходит из холодной окружающей среды по сравнению с тем, сколько требуется трудозатрат Вт . То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP _ref) кондиционера или холодильника как

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {W} \\ [/ latex].

Еще раз отмечая, что Q _h = Q _c + W , мы можем видеть, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] {COP} _ { \ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex] и Q _h больше, чем Q _c. В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP _ref = COP _л.с. — 1 для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами.Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения COP _ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем значения COP _л.с. для упомянутых выше тепловых насосов, поскольку разница температур составляет меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ).Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителя, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звездочек, тем более энергоэффективным является устройство. EER с выражается в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) в час нагрева или охлаждения, деленных на потребляемую мощность в ваттах. Доступны комнатные кондиционеры с диапазоном EER с от 6 до 12.Хотя это не то же самое, что только что описанные COP , эти EER хороши для сравнения: чем больше EER , тем дешевле будет эксплуатироваться кондиционер (но тем выше, вероятно, будет цена его покупки). ).

EER кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс] \ displaystyle {EER} = \ frac {\ frac {Q _ {\ text {c}}} {t_1}} {\ frac {W} {t_2}} \\ [/ latex],

, где Q _c — количество теплопередачи из холодной среды в британских тепловых единицах, t ₁ — время в часах, W — потребляемая работа в джоулях и t ₂ — время в секундах.

Стратегии решения проблем термодинамики

Изучите ситуацию, чтобы определить, задействовано ли тепло, работа или внутренняя энергия . Ищите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) .Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также вложенную работу от выходной мощности. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Сводка раздела

Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [latex] {\ text {COP}} _ {\ text {hp}} = \ frac {{Q} _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ латекс].
Холодильник — это тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

Объясните, почему тепловые насосы не работают в очень холодном климате так же хорошо, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?
В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?
Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T _h и T _c? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
Менеджеры продуктовых магазинов утверждают, что летом общее потребление энергии меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.
Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

Каков КПД идеального теплового насоса с теплопередачей при температуре холода −25?От 0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду до –20,0ºC и передает тепло в другую среду при 50,0ºC. Каков его коэффициент полезного действия?
Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при -200ºC и имеет теплопередачу в окружающую среду при 35,0ºC?
В очень мягком зимнем климате тепловой насос передает тепло из окружающей среды на 5.От 00ºC до единицы при 35,0ºC. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
(a) Каков наилучший коэффициент полезного действия теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0 ° C и температурой холодного резервуара -20,0 ° C? (b) Сколько тепла происходит в теплой среде, если в нее вложено 3,60 × 10 ⁷ Дж работы (10,0 кВт · ч)? (c) Если стоимость этих работ составляет 10.0 центов / кВт · ч, как его стоимость по сравнению с прямой теплопередачей, достигаемой за счет сжигания природного газа по цене 85,0 центов за тепло? (Термины — это общепринятая единица измерения энергии для природного газа, равная 1,055 × 10 ⁸ Дж.)
(a) Каков наилучший коэффициент полезного действия холодильника, который охлаждает окружающую среду до –30,0ºC и передает тепло в другую среду при 45,0ºC? (b) Сколько работы в джоулях необходимо сделать для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость этого, если работа стоит 10.0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж теплопередачи происходит в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
Предположим, вы хотите использовать идеальный холодильник с температурой холода -10,0 ° C и хотите, чтобы он имел коэффициент полезного действия 7,00. Какова температура горячего резервуара у такого холодильника?
Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещения с температурой 22 ° C.0ºC. Какова температура холодного резервуара, если коэффициент полезного действия насоса должен составлять 12,0?
4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 ⁷ Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1 час. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ), равный 12,0? (b) Какова стоимость этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость.Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP _ref = COP _л.с. — 1. Начнем с определений COP s и отношения сохранения энергии между Q _h, Q _c и W .

Глоссарий

тепловой насос: машина, передающая тепло от холода к горячему

КПД: для теплового насоса, это отношение теплоотдачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Избранные решения проблем и упражнения

1. 4.82

3.0,311

5. (а) 4,61; б) 1,66 × 10 ⁸ Дж или 3,97 × 10 ⁴ ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 ⁸ Дж тепловой насос стоит 1 доллар США, природный газ — 1,34 доллара.

7. 27,6ºC

9. (а) 1,44 × 10 ⁷ Дж; (б) 40 центов; (c) Эта стоимость кажется вполне реальной; в нем говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 долларов (если он будет работать непрерывно).

В чем разница между тепловым насосом и холодильником?

Представьте, что вам нужно пить прохладное молоко из миски с утренними хлопьями каждый день или вам приходится несколько дней обходиться без молока в холодильнике из-за пропущенной доставки.В прошлом сохранение продуктов питания в прохладном состоянии было повседневной заботой домашних хозяйств, которые надеялись избежать пищевых отравлений и пищевых отходов. К счастью, большинству из нас не приходилось об этом беспокоиться с 1920-х годов.

А теперь представьте, что вам придется несколько дней обходиться без топочного топлива из-за опоздания с доставкой. Звучит знакомо? В печально известные холодные зимы северо-востока Америки удобный, надежный и доступный источник тепла для вашего дома должен быть нормальным, таким же нормальным, как холодильник в каждом доме. К сожалению, это не так.

Сохранять тепло зимой — это , по-прежнему является повседневной заботой американских домохозяйств, даже несмотря на то, что технология хорошо изучена и хорошо зарекомендовала себя, и даже несмотря на то, что технология широко используется в бытовых холодильниках.

В этом сообщении блога мы обсудим, как в холодильниках и геотермальных тепловых насосах используется одна и та же технология, обеспечивающая современные удобства для вас и ваших близких.

Как работают холодильники

Скорее всего, вы заметили, что стоять рядом с холодильником в жаркий день — далеко не идеально.Если вы просунете руку за холодильник, вы действительно почувствуете тепло, выделяемое конденсатором, когда вентилятор обдувает его воздухом из вашего дома! Это потому, что холодильник работает, передавая тепло изнутри вашего холодильника наружу, делая вашу еду холодной, а ваш дом теплой.

Смесь хладагента, проходящая через ваш холодильник, поглощает тепло от продуктов, проходя через контуры испарителя внутри холодильника. Этот компонент называется испарителем, потому что дополнительное тепло превращает хладагент в пар.

Затем компрессор холодильника сжимает пары хладагента, принудительно сжимая их в небольшом пространстве. Как вы, возможно, узнали на уроке химии в старшей школе, вы можете повысить температуру и давление газа, просто сжав его, так что теперь хладагент становится очень горячим.

Наконец, он проходит через более просторные контуры конденсатора за пределами вашего холодильника, где очень горячий хладагент расширяется и вступает в контакт с относительно прохладным воздухом вашего дома.Хладагент охлаждается, передавая тепло, исходящее от продуктов в холодильнике, в ваш дом, а затем цикл может начаться снова.

Как работают геотермальные тепловые насосы

Вы не поверите, но тепловые насосы работают почти так же, как и холодильники. Проще говоря, тепловые насосы Dandelion забирают тепло из земли, чтобы отапливать ваш дом зимой, и сбрасывают тепло из вашего дома в землю, чтобы охлаждать его летом.

Контуры заземления, закопанные в вашем дворе, содержат раствор на водной основе, который поглощает тепло земли.Этот теплый раствор циркулирует в тепловом насосе, который переводит раствор из жидкого в газообразное состояние. Компрессор сжимает водяной пар, заставляя его нагреваться.

Между тем, тепловой насос в вашем доме содержит смесь хладагента внутри контура, очень похожего на контуры вашего холодильника. Теплообменник помогает передавать тепло от горячего сжатого пара от контуров заземления к относительно холодной смеси хладагентов при комнатной температуре.

Теперь нагретая смесь хладагента направляет тепло обратно в ваш дом, передавая тепло воздуху.Вновь нагретый воздух нагревает ваш дом, проходя через воздуховоды, и цикл продолжается.

Наука о замкнутых системах

В системе с «замкнутым контуром» ничего не входит и ничего не выходит — смесь внутри контуров просто циркулирует вверх и вниз для передачи тепла. Между тем, системы «разомкнутого цикла» требуют постоянной подачи воды.

Ваш холодильник работает по замкнутой системе, потому что его легко обслуживать — вам никогда не придется беспокоиться о доливке смеси, потому что она никогда не закончится! Точно так же вам никогда не придется беспокоиться о том, чтобы пополнить контуры заземления вашего теплового насоса Dandelion большим количеством воды, потому что все остается внутри системы с замкнутым контуром.

Это не только намного проще, но и безопаснее использовать системы с обратной связью. Смесь хладагента внутри вашего холодильника никогда не загрязняет вашу пищу, а водная смесь внутри контуров заземления теплового насоса никогда не загрязняет грунтовые воды под вашим домом.

Системы с замкнутым контуром

также имеют дополнительное преимущество. Закон идеального газа говорит нам, что давление, объем и температура газов взаимосвязаны, и, поскольку объем смеси внутри замкнутой системы никогда не меняется, температура и давление становятся косвенно пропорциональными. Другими словами, это упрощает управление смесью внутри контуров испарителя холодильника или внутри контуров заземления теплового насоса: мы просто сжимаем смесь, чтобы нагреть, или расширяем, чтобы охладить! Таким образом, когда смесь внутри петли нагревается, она также поглощает тепло и охлаждает окружающую среду.

Та же технология, новый подход

Независимо от климата или погоды, температура под землей остается неизменной, а наука о передаче тепла остается прежней.Как холодильники хорошо работают в теплом климате и , так и тепловые насосы работают хорошо.

Распространенное заблуждение относительно геотермальных тепловых насосов состоит в том, что у них нет ни единого шанса пережить холодную зиму северного климата. Интересно, что люди обычно не задаются вопросом, как холодильники сохраняют прохладу в жарком южном климате. Надеюсь, после прочтения этого сообщения в блоге вы понимаете, как работают холодильники во Флориде и геотермальные источники в Нью-Йорке.

Подходит ли геотермальная энергия для вашего дома?

КПД теплового насоса холодильника

Раньше мы жили в Онтарио, где отопление на природном газе относительно недорогое, поэтому другие варианты отопления не стоит рассматривать.

Однако, переехав в Нью-Брансуик в 2018 году, хотя у нас здесь есть природный газ, в расчете на количество произведенного тепла это всего лишь примерно на 15-20% дешевле, чем электричество.
Это делает тепловые насосы относительно хорошим выбором для отопления зимой. и я вижу много тепловых насосов, установленных в домах поблизости в эти дни.

Но насколько они более эффективны, чем прямое электрическое отопление? Я подумал, что было бы неплохо поэкспериментировать, и понял, что у нас уже есть аналогичный тепловой насос в нашем холодильнике, так почему бы не проверить это?

Я купил несколько умных розеток TP-link HS110, которые могут выполнять мониторинг энергопотребления, и они относительно легко контролировать и отслеживать с помощью простых скриптов Python с ПК (никаких «облачных» вещей не требуется). Я могу использовать это, чтобы отслеживать, сколько энергии холодильник использует. Еще я поставил датчики температуры DHT22, подключил к компьютер Raspberry Pi внутри холодильника и морозильной камеры для контроля температуры во время эксперимент. Компьютер Raspberry Pi записывает температуру, влажность и мощность расход каждую минуту.

Слева — график работы холодильника в установившемся режиме.

Обозначения графика:
Темно-фиолетовый: Потребляемая мощность (Вт)
Желтый: Относительная влажность в морозильной камере (%)
Голубой: Относительная влажность в холодильнике (%)
Фиолетовый: Температура холодильника (° C)
Синий: Температура морозильной камеры (° C)
Время в минутах.

Темно-фиолетовой линией показан холодильник, работающий с рабочим циклом 42%. Во время бега, он потребляет более 100 Вт, но средняя мощность с течением времени составила всего 45 Вт.

Следующий эксперимент заключался в том, чтобы поместить внутрь холодильника лампочку накаливания мощностью 60 Вт. Эта лампа также подключается к умной розетке TP-Link HS110 для контроля фактическая потребляемая мощность лампы.

Цель заключалась в том, чтобы увидеть, сколько энергии потребуется холодильнику для отвода тепла. что добавляет 60-ваттная лампа накаливания.

Результат работы лампы мощностью 60 Вт.
Коричневая линия показывает питание лампочки. Эта линия движется зигзагами вверх и вниз сначала потому, что у меня было прерывистое соединение с лампочкой. Я открыл примерно на 32-й минуте на этом графике, чтобы закрутить лампочку посильнее. Это привело к лишний воздух попадал в холодильник, который был более влажным, поэтому относительная влажность (желтый) появилось при открытии холодильника. Температура (пурпурный) тоже немного поднялась от открытие холодильника.

В течение следующих 55 минут я видел, как температура в холодильнике медленно поднималась, в то время как компрессор холодильника работал постоянно (темно-фиолетовая линия показывает потребляемая мощность холодильника всегда более 100 Вт)

Таким образом, 60 Вт — это больше тепла, чем может выдержать компрессор холодильника. Так Я снова открыл холодильник и поменял его на лампочку на 40 ватт примерно на 86-й минуте. После этого температура упала всего на несколько градусов, но компрессор никогда не отключайся.

Я хотел, чтобы мое сравнение было с холодильником, работающим в стабильном состоянии, когда компрессор все еще включается и выключается, поэтому я поменял 40-ваттную лампочку на лампочка для бытовой техники на 17 ватт.

Но вскоре после этого холодильник потреблял более 400 Вт в течение примерно 15 минут. Обратите внимание на другой масштаб на графике слева.Период 400 Вт был цикл размораживания холодильника. Когда воздух охлаждается, влага может конденсироваться. из воздуха. Если воздух охладится до температуры ниже точки замерзания, эта конденсация превращается в сублимацию прямо в лед, вызывая нарастание льда при охлаждении элементы. Чтобы расплавить это, требуется периодический нагрев охлаждающих элементов. лед, или он в конечном итоге забивает охлаждающий элемент.

После цикла размораживания компрессор должен работать в сверхдлительном цикле, чтобы снова остыть.

Поэтому я подождал, пока через некоторое время холодильник не перейдет в устойчивое состояние.

Когда лампочка нагревает холодильник на 16,9 Вт, рабочий цикл компрессора было 69%. Потребляемая мощность компрессора во время работы была примерно такой же, как и раньше, но с увеличенным рабочим циклом средняя потребляемая мощность холодильника теперь была 71 Вт.

Слева диаграмма, показывающая энергопотребление за время моих экспериментов. (все предыдущие графики являются сегментами этого графика)

Вы можете скачать мою таблицу: холодильник.молния

И вот результаты:

Дополнительные 16,9 Вт от лампочки увеличили рабочий цикл холодильника с 42% до 69%, и увеличили среднее энергопотребление холодильника на 25,58 Вт. Это означает, что каждый дополнительный ватт, который использовал холодильник, мог выдать 0,662 Вт. тепла из холодильника.

Немного обидно. Я думал, что тепловой насос холодильника сможет откачать по крайней мере, ватт тепла на каждый израсходованный ватт.

Но холодильник работает в сложных условиях для теплового насоса, так как охлаждает морозильную камеру до -20 ° C (-4 ° F).Тепловые насосы для отопления дома не работают хорошо, когда им нужно получить тепло от наружного воздуха, который настолько холоден.

Но даже если тепловой насос холодильника отбирает только 0,66 Вт с холодной стороны на каждый ватт электричество, общее количество тепла в помещении 1 + 0,66, так как вся потребляемая электроэнергия также превращается в тепло в комнате, поэтому представьте, что вместо охлаждения внутренней части холодильника, это охлаждение снаружи, коэффициент полезного действия будет 1,66, или около 1,66 Вт. отопления на каждый ватт потребляемой электроэнергии.

Но тепловые насосы отопления как минимум в 20 раз мощнее, и есть определенная экономия масштаб, соответствующий этому. Поэтому я ожидаю, что тепловой насос для отопления дома будет более эффективным.

Однако одна вещь, которую я не учел, — это периодические циклы оттаивания, когда температура воздуха опускается ниже нуля. Я сознательно избегал включать те, что в холодильнике экспериментируйте, иначе мне пришлось бы проводить гораздо более длительные пробежки, потому что разморозка происходит только примерно каждые 24 часа. И холодильник, вероятно, будет иметь меньше конденсата, чем отопительный тепловой насос, потому что воздух в холодильнике со временем становится очень сухим, тогда как наружного воздуха намного больше с неограниченным запасом влаги.

Но даже в этом случае тепло, необходимое для плавления льда, составляет всего около 20% тепла, которое требуется для плавления льда. был выпущен, когда влага сублимировалась из пара в воздухе в лед. И не все тепло, отводимое снаружи, является результатом конденсации, поэтому циклы оттаивания являются относительно второстепенным фактором. Тем не менее, энергия, используемая для размораживания, не попадает в дом, поэтому с точки зрения отопления, это энергия полностью потрачена впустую.

С тепловым коэффициентом откачки всего 0.66, а средняя потребляемая мощность 45 Вт, это означает, что около 30 Вт тепла попадает в холодильник через стены всегда. Принимая во внимание площадь стенок холодильника и разницу температур холодильника и морозильной камеры Принимая во внимание, это говорит о том, что изоляция стенок холодильника составляет около R20, что кажется вроде кайф для холодильника, так что я не уверен, правильно ли это.

Я провел еще один эксперимент, накрыв холодильник несколькими теплыми пуховыми одеялами. Это уменьшило энергопотребление холодильника в установившемся режиме составляет всего 10%, поэтому можно предположить, что шумоизоляция неплохая.

Глядя на технические характеристики этого теплового насоса слева (щелкните изображение, чтобы увеличить), мы можем рассчитать:

208 В * 11,9 А = 2475 Вт
1600 БТЕ / час = 4689 Вт

4689 Вт на выходе / 2475 Вт на входе = 1,89

Таким образом, согласно этим характеристикам тепловой насос имеет коэффициент полезного действия 1,89, иначе он будет обеспечивают 1,89 Вт тепла на каждый потребляемый ватт. Но производительность очень важна. функция внутренней и наружной температуры, и я не знаю, какая наружная температура что предполагает.

Но поиск в Google «коэффициент полезного действия теплового насоса Fujitsu» вызывает эту ссылку:

[PDF] Отчет о лабораторных испытаниях Fujitsu 12RLS и Mitsubishi … — NREL

Есть какие-то интересные цифры. Относительные потери из-за циклов оттаивания действительно относительно небольшой, а КПД около 2 достижим, даже если на улице около -20 ° C.
Но действительно ли стоит тепловой насос? Если у вас уже есть электрическое отопление, это высокая начальная стоимость. это окупится годами.А пока электроотопление бесшумно, надежно, и именно там, где вам это нужно, и нет риска поломки. Я думаю, мы должны получить тепловой насос для нашего дома в конечном итоге, но с учетом капитальных затрат, срока службы и других факторов, это не большая победа, если только вы не используете тепловой насос для охлаждения дома. По моим оценкам, мы бы экономили не более 1000 долларов в год на системе, которая может стоить нам 10 000 долларов. Если эта система если бы прослужили 20 лет без каких-либо дополнительных затрат, экономия все равно была бы относительно небольшой.

Думаю, все дело в том, что тепловой насос также обеспечивает кондиционирование воздуха, а было около 5-10 дней. этим летом, когда кондиционер был бы хорош. Что не значит, что больше не было чем 10 жарких дней, просто ночи здесь относительно прохладные, а окна открываются ночью было достаточно, чтобы в доме было прохладно большую часть времени.

См. Также:

Вернемся на мой веб-сайт Woodworking .

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Тепловые насосы — это устройства, которые работают в цикле, аналогичном циклу парокомпрессионного холодильника, показанному на Рисунке 1.

В своей основной форме парокомпрессионная холодильная система [см. Van Wylen (1985)] состоит из испарителя, компрессора, конденсатора, дроссельного устройства, которое обычно представляет собой расширительный клапан или капиллярную трубку, и соединительную трубку. Рабочей жидкостью является хладагент, такой как фреон или аммиак, который проходит термодинамический цикл (см. Также Охлаждение).

Термодинамический цикл схематически показан на рисунке 2 [Althouse et. al. (1982)]. В течение цикла происходят четыре важных процесса.Во-первых, тепло (Q ₁) передается хладагенту в испарителе от станций 4–1 на рисунках 1 и 2, где его давление и температура ниже, чем у источника тепла, такого как воздух, вода или земля. Испарение хладагента происходит из жидкости в насыщенный пар, теоретически при постоянном давлении. Однако на практике падение давления связано с потоком жидкости и теплопередачей через испаритель. Во-вторых, работа (W) выполняется с хладагентом, поскольку насыщенный пар при низком давлении и температуре входит в компрессор и подвергается адиабатическому сжатию (от 1 до 2).В результате получается сжатый пар хладагента под высоким давлением и температурой на выходе из компрессора (точка 2 на рисунках 1 и 2). В-третьих, тепло (Q _y) передается от горячего пара в конденсаторе (от 2 до 3), где его давление и температура выше, чем у теплоотвода, температура которого выше, чем у источника. Конденсация пара в насыщенную жидкость происходит в конденсаторе теоретически при постоянном давлении, но опять же на практике падение давления происходит по тем же причинам, что и в испарителе.Хладагент покидает конденсатор в виде насыщенной жидкости. Последний процесс перед повторным поступлением хладагента в испаритель — это дросселирование хладагента через расширительный клапан или капиллярную трубку от 3 до 4. Во время этого процесса падение давления является адиабатическим, что приводит к снижению давления и температуры хладагента. Обычно хладагент поступает в виде жидкости и выходит в виде смеси жидкости и пара.

Рис. 1. Простой парокомпрессионный холодильный цикл.

Рисунок 2.Термодинамический цикл паро-холодильного цикла.

Основной цикл теплового насоса идентичен парокомпрессионному холодильному циклу, показанному на рисунках 1 и 2, единственная разница между тепловым насосом и холодильником заключается в их основных функциях. Холодильная система охлаждает внешнюю жидкость, протекающую через испаритель, тогда как тепловой насос нагревает внешнюю жидкость, протекающую через конденсатор. Основное различие между холодильником и тепловым насосом заключается в способе работы в отношении охлаждения или нагрева.Если приложение представляет собой охлаждение, то вас будет интересовать аспект охлаждения, Q ₁ на рисунке 1, возникающий над испарителем, и охлаждающее устройство, например, будет называться холодильником, кондиционером, чиллером, криохладителем и т. С другой стороны, если приложение нагревает, то вас будет интересовать аспект нагрева, Q _y на Рисунке 1, происходящий над конденсатором, и нагревательное устройство будет называться тепловым насосом.

Тепловые насосы в основном используются для нагрева воды и воздуха.Воду можно нагревать для плавательных бассейнов и бытовых целей с помощью окружающего воздуха (так называемый тепловой насос воздух-вода ), а воздух обычно нагревается зимой для обогрева помещений внутри домов, зданий, заводов и т. Д., А также с использованием атмосферный воздух в качестве источника ( тепловой насос воздух-воздух ). Однако землю также можно использовать в качестве источника отопления. В этом случае тепловой насос будет называться с заземлением, с заземлением источника или с наземным тепловым насосом .Еще один источник тепла — вода. Здесь испаритель помещается в скважину, пруд или озеро для обогрева помещения. Этот тип теплового насоса называется тепловым насосом «вода-воздух» . В промышленности водо-водяные тепловые насосы используются, например, для одновременного производства горячей и холодной воды. Эти типы систем также называются системами двойного назначения .

Системы двойного назначения предназначены для одновременного применения как для нагрева, так и для охлаждения.В системе с обратным циклом функции испарителя и конденсатора можно поменять местами. Таким образом, и «горячий», и «холодный» поток могут доставляться в один и тот же тепловой резервуар в разное время. Двойные системы также называют тепловыми насосами, хотя основное внимание уделяется не только их теплопроизводительности.

Хотя устройства имеют разные названия, у обоих есть две общие черты. Во-первых, используется один и тот же основной цикл охлаждения, а во-вторых, оба являются тепловыми насосными системами. Тепло «перекачивается» от источника тепла с низкой температурой к теплоотводу с более высокой температурой.Эти тепловые насосные системы или тепловые насосы имеют два основных преимущества перед традиционной технологией. Во-первых, в зависимости от области применения, на единицу потребляемой энергии часто может быть подано более одной единицы нагрева, т. Е. Коэффициент полезного действия , значение (COP) больше единицы. Обычно на каждый киловатт мощности, потребляемой компрессором, у конденсатора имеется более одного киловатта тепловой мощности. В большинстве практических приложений коэффициент полезного действия теплового насоса составляет от двух до шести.Для обогрева бассейна КПД может достигать шести; тогда как в системе горячего водоснабжения, где вода нагревается до температуры 55 ° C, COP может составлять всего три. Коэффициент полезного действия (COP) теплового насоса определяется как

Значение COP, равное четырем, означает экономию энергии на 75%. Таким образом, тепловые насосы обладают преимуществом экономии энергии и более низкими затратами по сравнению с другими методами отопления. Еще одно преимущество тепловых насосов состоит в том, что тепловые насосы могут быть с тепловым приводом, или с рабочим приводом, .Тепловые насосы с тепловым приводом позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию, которая в других случаях может часто оставаться неиспользованной. Таким образом, тепловые насосы также могут помочь уменьшить тепловое загрязнение и проблемы окружающей среды .

Преимущества тепловых насосов признаны давно. Исследования в области повышения производительности, надежности, энергоэффективности и воздействия на окружающую среду были постоянной проблемой для промышленных, правительственных и академических организаций. Исследования были сосредоточены на усовершенствованной конструкции цикла для систем, приводимых в действие как нагревом, так и при работе, улучшенных компонентах (включая выбор хладагента ) и использовании в более широком диапазоне приложений.Конкретные области деятельности включают: поиск заменителей хладагента, передовые мобильные системы кондиционирования воздуха для транспортных средств, передовые технологии сжатия пара, абсорбционные тепловые насосы, наземные (или геотермальные) тепловые насосы и тепловые насосы с воздушным циклом. Теперь мы обсудим некоторые из этих мероприятий.

В ответ на растущие опасения, что некоторые хлорсодержащие соединения, такие как полностью галогенированные фторалканы , могут катализировать снижение уровней стратосферного озона, привел к активному поиску хладагентов на замену.Озоновый слой жизненно важен для человечества, потому что он защищает нас от опасных ультрафиолетовых лучей, испускаемых солнцем. Хлорфторуглерод (CFC) хладагенты были определены как основные участники проблемы разрушения озонового слоя. Ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы CFC, высвобождая свободный хлор, когда молекула CFC достигает верхнего уровня стратосферы. Свободный хлор нарушает хрупкое равновесие озонового слоя. Обеспокоенность воздействием ХФУ на озоновый слой ранее вызвала международную встречу в Монреале в сентябре 1987 года.На этой встрече родился Монреальский протокол о веществах, разрушающих озоновый слой. Первоначально Протокол был подписан 45 странами. Позднее в Протокол были внесены поправки после того, как было достигнуто соглашение о полном отказе от ХФУ к 2000 году и предполагаемом поэтапном отказе от хладагентов гидрохлорфторуглерода (ГХФУ) к 2020 году с 2040 годом в качестве абсолютного крайнего срока. Однако можно ожидать, что в этот Протокол снова будут внесены поправки.

Поиск хладагентов на замену привел к появлению ГХФУ и гидрофторуглеродов (HCF). Молекула ГФУ не содержит хлора и не представляет угрозы для озонового слоя.ГХФУ-22, пожалуй, наиболее широко используемый хладагент в тепловых насосах. Он имеет относительно низкий потенциал разрушения озонового слоя, но, поскольку он содержит хлор, ищется замена жидкости. Важным фактором является поиск жидкостей на замену с термодинамическими свойствами, аналогичными заменяемым хладагентам. Также желательно соответствие энтальпии испарения. Если эти параметры можно будет точно согласовать, необходимость в редизайне системы будет минимальной. (См. Также Холодильники и хладагенты.)

Земляные или геотермальные тепловые насосы

За последние десять лет домовладельцы во всем мире обнаружили, что геотермальные (грунтовые) системы идеальны для отопления и охлаждения. Зимой вода или другие жидкости, циркулирующие по «петле» подземной трубы, поглощают тепло от земли и переносят его в геотермальную установку, которая отбирает тепло с более высокой температурой и распределяет его по всему дому. Летом устройство забирает тепло из вашего дома и передает его обратно в циркулирующую воду в подземной системе контура, где оно рассеивается в более прохладной земле. Петли устанавливаются двух основных типов: закрытые и открытые. Замкнутые петли закапывают в землю или погружают в озера или пруды. В открытых контурах используются грунтовые воды, откачиваемые из колодца. Конфигурация петли будет зависеть от следующих факторов: геологии недр земли; местные затраты на рытье траншей и бурение; наличие качественных грунтовых вод и наличие земельного участка. Если площадь земли ограничена, замкнутые контуры можно вставлять в вертикальные скважины. В отверстия вставляются П-образные петли трубы.Затем отверстия снова заполняются герметизирующим раствором.

Воздух — лучший хладагент. Он нетоксичен, не вызывает коррозии, не вредит озоновому слою и не способствует глобальному потеплению. Утечки не влияют на окружающую среду. Никаких особых мер предосторожности при обслуживании или процедур восстановления хладагента не требуется. Цена на воздух очевидна — он бесплатный. Воздух всегда доступен, и доставка на место осуществляется незамедлительно. Никакого восстановительного оборудования не требуется. С точки зрения дизайна идеально подходит воздух, особенно если проблема связана с очень высокими или очень низкими температурами.Воздух не меняет фазы в нормальных рабочих режимах и может использоваться в исключительно широком диапазоне температур. Сегодня используются многие тысячи систем воздушного цикла. Практически каждый самолет с реактивным двигателем, производимый сегодня, будь то коммерческий или военный, использует охлаждение с воздушным циклом. Кроме того, системы воздушного цикла могут работать в широком диапазоне температур, которым они будут подвергаться в ходе нормального полета.

Тепловой насос с воздушным циклом с электрическим приводом — очень простое устройство.Вращающаяся группа обычно состоит из компрессора и турбины, установленных на том же валу, что и высокоскоростной двигатель. Эта сборка — единственная движущаяся часть. Одноступенчатый центробежный компрессор имеет относительно низкую степень перепада давления, которая обычно находится в диапазоне 1,4: 1. Одноступенчатое турбинное колесо с радиальным притоком имеет несколько меньшую степень сжатия. Двигатель питается от выхода инвертора переменной частоты и переменного напряжения, так что скорость двигателя, компрессора и турбины может изменяться.Наконец, необходимы один, два или три теплообменника, в зависимости от области применения и концепции.

Для сжатия воздуха требуется энергия. Когда воздух сжимается, механическая энергия преобразуется в тепловую, и воздух становится горячее. Это источник нагрева. Соответственно, когда воздух расширяется и работает, тепловая энергия преобразуется в механическую, и воздух становится холоднее. Это источник холода. Таким образом, процесс сжатия потребляет механическую энергию, а процесс расширения производит механическую энергию.Устанавливая компрессор и турбину на одном валу, турбина помогает управлять компрессором. К сожалению, законы физики таковы, что турбина не производит достаточно механической энергии для приведения в действие компрессора сама по себе, и поэтому для дополнения механической энергии, производимой турбиной, используется электродвигатель.

Рассмотрим систему, в которой одновременно требуется и отопление, и охлаждение. Возможно, ресторан хочет нагреть входящую городскую воду с 20 ° C до 82 ° C для мытья посуды.Одновременно они хотят кондиционировать кухню. Предположим, что температура наружного воздуха составляет 25 ° C. Если сравнить наружный воздух при атмосферном давлении с соотношением давлений 1,8: 1, температура нагнетания составит около 89 ° C. Этого достаточно, чтобы нагреть воду до необходимой температуры с помощью подходящего теплообменника. При нагревании воды сжатый воздух охлаждается до более низкой температуры. Если сжатый воздух теперь расширяется в турбине до атмосферного давления, он будет выходить при температуре существенно ниже точки замерзания — при условии, что воздух был сухим и не происходила конденсация.Это намного ниже температуры, необходимой для кондиционирования воздуха, поэтому воздух будет смешиваться с воздухом помещения перед выпуском. Воздух остается пригодным для дыхания, поскольку в системе нет смазочного масла, которое могло бы его загрязнить. Трудно провести сравнение с обычным оборудованием, потому что тепловой насос с воздушным циклом еще не запущен в производство и его необходимо сравнивать с широким спектром комбинаций оборудования для нагрева и охлаждения. Однако ожидаемые значения теплопередачи COP будут в пределах от 1,9 до 3,6.

ССЫЛКИ

Альтхаус, А. Д., Тернквист, К. Х., Браччано, А. (1982) Современное охлаждение и кондиционирование воздуха , Goodheart-Willcox Co., Inc.

Ван Уилен, Г. Дж. И Соннтаг, Р. Э. (1985) Фундаментальные основы классической термодинамики , Джон Уайли и сыновья, Торонто, 3-е изд.

Тепловые насосы и холодильники — Физика колледжа, главы 1-17

Сводка

Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рисунок 1. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему.Это тепловые машины, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы. Передача тепла происходит из холодного резервуара [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}} [/ latex] в горячий. Для этого требуется ввод работы [латекс] \ boldsymbol {W}, [/ latex], который также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}} = Q _ {\ textbf {c}} + W}. [/ Latex] (Обратите внимание, что [latex] \ boldsymbol {Q_ {\ textbf {h}}}, \: \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}}, [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex] положительные, их направления указаны на схемах а не по знаку.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}}} [/ latex] в теплую среду, например, в доме зимой. Кондиционеры и холодильники предназначены для передачи тепла [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}} [/ latex] из прохладной окружающей среды, например, для охлаждения комнаты или хранения продуктов при более низких температурах, чем среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель одновременно.В этом разделе мы сконцентрируемся на режиме нагрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые машины, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно.

(а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q _h и Q _c противоположны направлениям в тепловом двигателе.(b) PV Диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA. Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q _c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q _h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}} = Q _ {\ textbf {c}} + W}.[/ latex] Теплоотдача происходит от наружного воздуха, даже при температуре ниже нуля, во внутреннее пространство. Вы платите только за [латекс] \ boldsymbol {W}, [/ latex] и получаете дополнительную теплопередачу [латекса] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}} [/ latex] снаружи бесплатно ; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что затраты на работу (требуемые вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплопередача [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}} [/ latex] происходит от холодного наружного воздуха к рабочему телу, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.

В режиме нагрева теплопередача Q _c происходит к рабочему телу в испарителе (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ.Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая нагрузка [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex]) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства.Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

Качество теплового насоса оценивается по тому, сколько тепла [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}}} [/ latex] происходит в теплое пространство, по сравнению с тем, сколько работы [латекс] \ boldsymbol { W} [/ latex] не требуется.Исходя из соотношения того, что вы получаете к затраченным средствам, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ([latex] \ boldsymbol {\ textbf {COP} _ {\ textbf {hp}}} [/ latex ]) быть

[латекс] \ boldsymbol {\ textbf {COP} _ {\ textbf {hp}} =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q _ {\ textbf {h}}} {W}}. [ / латекс]

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] \ boldsymbol {Eff = W / Q _ {\ textbf {h}}}, [/ latex], мы видим, что [латекс] \ boldsymbol {\ textbf {COP} _ {\ textbf {hp}} = 1 / Eff}, [/ latex] важный и интересный факт.Во-первых, поскольку эффективность любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что [latex] \ textbf {COP} _ {\ textbf {hp}} [/ latex] всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}}} [/ latex], чем вложено в него усилий. Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. Эффективность идеального, или двигателя Карно, равна [latex] \ boldsymbol {Eff _ {\ textbf {C}} = 1- (T _ {\ textbf {c}} / T _ {\ textbf {h}})}; [ / latex] таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше эффективность и больше [латекс] \ boldsymbol {\ textbf {COP} _ {\ textbf {hp}}} [/ latex] (потому что [latex] \ boldsymbol {\ textbf {COP} _ {\ textbf {hp}} = 1 / Eff} [/ latex]).Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они приносят пользу работе теплового насоса. не . в тепловой насос.

Рис. 4. Когда настоящий тепловой двигатель работает в обратном направлении, часть предполагаемого рабочего расхода ( W ) идет на теплопередачу, прежде чем он попадет в тепловой двигатель, тем самым снижая его коэффициент полезного действия COP _{л. с.} .На этом рисунке W ‘ представляет собой часть W , которая идет в тепловой насос, в то время как остаток W теряется в виде тепла трения ( Q _f) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q _h было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не было бы диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1: Лучший

COP _л.с. теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне. Поэтому его горячая и холодная резервуарные температуры не могут быть слишком близкими, что ограничивает его [латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}}}.{\ circ} \ textbf {C}}? [/ latex]

Стратегия

Перевернутый двигатель Карно будет работать с максимальной производительностью в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}} = 1 / Eff}, [/ latex], поэтому нам нужно сначала вычислить эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

КПД Карно по абсолютной температуре определяется по формуле :

[латекс] \ boldsymbol {Eff _ {\ textbf {C}} = 1 -} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {T _ {\ textbf {c}}} {T _ {\ textbf {h}} }}.[/ латекс]

Температура в градусах Кельвина составляет [латекс] \ boldsymbol {T _ {\ textbf {h}} = 318 \ textbf {K}} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {T _ {\ textbf {c}} = 258 \ textbf {K}}, [/ latex] так что

[латекс] \ boldsymbol {Eff _ {\ textbf {C}} = 1 -} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {258 \ textbf {K}} {318 \ textbf {K}}} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {= 0,1887}. [/ латекс]

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}} =} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {1} {Eff}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {=} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {1} {0.1887}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {= 5.30}, [/ latex]

или

[латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}} =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q _ {\ textbf {h}}} {W}} [/ латекс] [латекс] \ boldsymbol {= 5.30}, [/ латекс]

, так что

[латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}} = 5.30 \ textbf {W}}. [/ Latex]

Обсуждение

Этот результат означает, что теплопередача тепловым насосом в 5,30 раз больше, чем вложенная в него работа. Это будет стоить в 5,30 раза больше для той же теплопередачи от электрического комнатного обогревателя, чем для теплопередачи, производимой этим тепловым насосом.Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рис. 5. Теплоотдача снаружи внутрь, а также работа, выполняемая для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости. Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальные в предыдущем примере; их значения [латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}}} [/ latex] варьируются от 2 до 4. Этот диапазон означает, что теплопередача [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}} } [/ latex] от тепловых насосов в 2-4 раза больше, чем работа [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex], вложенная в них. Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex] обычно поставляется за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла за счет сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость. Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги. Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой.На рисунке 6 показан тепловой насос, называемый в некоторых странах « обратным циклом» или «охладителем сплит-системы » .

Рисунок 6. В жаркую погоду передача тепла происходит от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде.Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к горячему требуется дополнительная работа, а это дорого. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}} [/ latex] происходит из холодной среды, по сравнению с тем, сколько работы [латекс] \ boldsymbol { W} [/ latex] не требуется. То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия [латекс] \ boldsymbol {(COP _ {\ textbf {ref}})} [/ latex] кондиционера или холодильника как

[латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {ref}} =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q _ {\ textbf {c}}} {W}}.[/ латекс]

Еще раз отмечая, что [латекс] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}} = Q _ {\ textbf {c}} + W}, [/ latex], мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}} = Q _ {\ textbf {h}} / W} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}} } [/ latex] больше, чем [latex] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}}. [/ latex] В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что

[латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {ref}} = COP _ {\ textbf {hp}} — 1} [/ latex]

для теплового двигателя, используемого в качестве кондиционера или теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами.Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения [latex] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {ref}}} [/ latex] в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем [latex] \ boldsymbol { Значения COP _ {\ textbf {hp}}} [/ latex] для упомянутых выше тепловых насосов, потому что разница температур меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип системы оценки [latex] \ boldsymbol {COP} [/ latex], которая называется «рейтинг энергоэффективности» ([latex] \ boldsymbol {EER} [/ latex]).Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителю, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звездочек, тем более энергоэффективным является устройство. [Latex] \ boldsymbol {EER \ textbf {s }} [/ latex] выражаются в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) за час нагрева или охлаждения, деленных на потребляемую мощность в ваттах. Комнатные кондиционеры легко доступны с [латексом] \ boldsymbol {EER \ textbf {s}} [/ latex] в диапазоне от 6 до 12.Хотя это не то же самое, что только что описанный [latex] \ boldsymbol {COP \ textbf {s}} [/ latex], эти [latex] \ boldsymbol {EER \ textbf {s}} [/ latex] хороши для целей сравнения — чем больше [латекс] \ boldsymbol {EER}, [/ latex], тем дешевле будет эксплуатироваться кондиционер (но тем выше, вероятно, будет его покупная цена).

[латекс] \ boldsymbol {EER} [/ latex] кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс] \ boldsymbol {EER =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {Q _ {\ textbf {c}} / t_1} {W / t_2}}, [/ latex]

где [latex] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {c}}} [/ latex] — это количество тепла, передаваемое из холодной среды в британских тепловых единицах, [latex] \ boldsymbol {t_1} [/ latex] — время в часах, [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex] — это ввод работы в джоулях, а [latex] \ boldsymbol {t_2} [/ latex] — время в секундах.

СТРАТЕГИИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ДЛЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Изучите ситуацию, чтобы определить, задействовано ли тепло, работа или внутренняя энергия. Найдите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также вложенную работу от выходной мощности. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {hp}} = \ frac {Q _ {\ textbf {h}}} {W}}. [/ Latex]
Холодильник — это тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

1: Объясните, почему тепловые насосы не работают так же хорошо в очень холодном климате, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?

2: В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?

3: Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между [латексом] \ boldsymbol {T _ {\ textbf {h}}} [/ латексом] и [латексом] \ boldsymbol {T _ {\ textbf {c}}}? [/ latex] (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его [латекса] \ boldsymbol {COP} [/ latex]. )

4: Менеджеры продуктовых магазинов утверждают, что общее энергопотребление летом составляет минус , если в магазине поддерживается низкая температура . Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.

5: Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

1: Каков коэффициент полезного действия идеального теплового насоса с теплопередачей от холода [латекс] \ boldsymbol {-25.6 \ textbf {J}} [/ latex] (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость. Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности [латекс] (\ boldsymbol {EER}) [/ latex] кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на ватт входная мощность.

10: Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением [латекс] \ boldsymbol {COP _ {\ textbf {ref}} = COP _ {\ textbf {hp}} — 1}.[/ латекс]

Начните с определений [латекса] \ boldsymbol {COP} [/ latex] s и отношения сохранения энергии между [латексом] \ boldsymbol {Q _ {\ textbf {h}}}, \: \ boldsymbol {Q_ { \ textbf {c}}}, [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {W}. [/ latex]

Глоссарий

тепловой насос: Аппарат, передающий тепло от холодного к горячему

коэффициент полезного действия: для теплового насоса — это отношение теплопередачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Решения

Задачи и упражнения

4. 7 \ textbf {J}} [/ latex]

(б) 40 центов

(c) Эта стоимость кажется вполне реальной; в нем говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 долларов (если он будет работать непрерывно).

4.4 Холодильники и тепловые насосы

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Авторы и указание авторства

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Опишите холодильник и тепловой насос и перечислите их различия
Расчет коэффициентов производительности простых холодильников и тепловых насосов

Все циклы, которые мы использовали для описания двигателя в предыдущем разделе, обратимы, поэтому каждая последовательность шагов может быть так же легко выполнена в противоположном направлении. В этом случае двигатель известен как холодильник или тепловой насос, в зависимости от того, на чем сосредоточено внимание: тепло, отводимое из холодного резервуара, или тепло, сбрасываемое в горячий резервуар. Либо холодильник, либо тепловой насос — это двигатель, работающий в обратном направлении.

Для холодильника основное внимание уделяется отводу тепла из определенной области.
Для теплового насоса основное внимание уделяется отводу тепла в определенную область.

Сначала рассмотрим холодильник (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).Этот двигатель предназначен для отвода тепла из холодного резервуара, который представляет собой пространство внутри холодильника для обычного домашнего холодильника или пространство внутри здания для блока кондиционирования воздуха.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): схематическое изображение холодильника (или теплового насоса). Стрелка рядом с работой (W) указывает на выполнение работы в системе.

Холодильник (или тепловой насос) поглощает тепло \ (Q_c \) из холодного резервуара при температуре Кельвина \ (T_c \) и отводит тепло \ (Q_h \) в горячий резервуар при температуре Кельвина \ (T_h \) во время работы W наносится на рабочее тело двигателя, как показано стрелкой, указывающей на систему на рисунке.Бытовой холодильник отводит тепло от продуктов внутри, а отводит тепло в окружающий воздух. Необходимую работу, которую мы оплачиваем в счетах за электроэнергию, выполняет двигатель, который перемещает хладагент по змеевикам. Схематический эскиз бытового холодильника приведен на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): принципиальная схема бытового холодильника. Охлаждающая жидкость с температурой кипения ниже точки замерзания воды проходит через цикл (по часовой стрелке на этой диаграмме).Хладагент отводит тепло из холодильника в испарителе, вызывая испарение хладагента. Затем он сжимается и проходит через конденсатор, где отводит тепло наружу.

Эффективность или коэффициент полезного действия \ (K_R \) холодильника измеряется путем деления тепла, отведенного от холодного резервуара, на работу, выполняемую рабочим веществом, цикл за циклом:

\ [K_R = \ dfrac {Q_c} {W} = \ dfrac {Q_c} {Q_h — Q_c} \]

Обратите внимание, что мы использовали условие сохранения энергии \ (W = Q_h — Q_c \) на последнем этапе этого выражения.

Эффективность или коэффициент полезного действия \ (K_P \) теплового насоса измеряется путем деления тепла, отводимого в горячий резервуар, на работу, выполняемую двигателем в процессе рабочего тела. Цикл по циклу:

\ [K_P = \ dfrac {Q_h} {W} = \ dfrac {Q_h} {Q_h — Q_c}. \]

Еще раз, мы используем условие сохранения энергии \ (W = Q_h — Q_c \), чтобы получить последний шаг этого выражения.

Авторы и авторство

Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

холодильников и тепловых насосов — S.B.A. Изобретатель

Тепло естественным образом передается в направлении снижения температуры. Это означает, что энергия от среды с более высокой температурой будет течь к объекту с более низкой температурой. Этим фактом пользуются холодильники и тепловые насосы.

Холодильники

Во-первых, давайте взглянем на холодильники.Холодильники — это устройства, способные переносить тепло от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой. Сначала вы можете сказать, что это невозможно, поскольку это противоречит второму закону. Однако в холодильнике это возможно за счет использования рабочей жидкости, называемой хладагентом. Хладагент перемещает тепло между двумя разными средами.

Как и тепловая машина, холодильники — это циклические устройства. Холодильный цикл с компрессией пара является наиболее распространенным.Этот цикл требует использования четырех основных компонентов: компрессора, конденсатора, расширительного клапана и испарителя. Основную схему см. На рисунке ниже.

Прежде чем хладагент достигнет расширительного клапана, он будет в жидком состоянии под высоким давлением. Когда он входит в расширительный клапан, его давление резко падает. В свою очередь, это вызовет большой перепад температуры и давления. Падение температуры будет ниже, чем в охлаждаемом помещении.Затем он попадет в змеевики испарителя. В этих змеевиках хладагент будет поглощать тепло из охлаждаемого пространства. При этом хладагент испарится. Затем компрессор увеличит давление и температуру хладагента. Температура хладагента будет выше, чем температура окружающей среды. Наконец, хладагент проходит через змеевики конденсатора, позволяя энергии передаваться во внешнюю среду. Это приведет к возврату хладагента в жидкое состояние. Наконец, цикл будет повторяться.

Коэффициент полезного действия холодильника

Согласно второму закону термодинамики цикл не может быть эффективен на 100%. Для запуска компрессора работа не требуется. В результате дополнительная рабочая энергия будет препятствовать 100% эффективности цикла, что будет соответствовать второму закону термодинамики. Для холодильника эффективность определяется коэффициентом полезного действия $ COP_R $. Следующее уравнение используется для расчета $ COP_R $.

(уравнение 1) $ COP_R = \ frac {Q_L} {W_ {NET, дюйм}} = \ frac {Q_L} {Q_H-Q_L} = \ frac {1} {Q_H / Q_L-1}

долларов США

В отличие от эффективности, $ COP_R $ может быть больше единицы. Это потому, что он сравнивает количество тепла, отведенного от холодильника, с входной работой.

Тепловой насос

Тепловой насос, как и холодильник, передает тепло из среды с низкой температурой в среду с высокой температурой. В результате тепловой насос будет работать по тому же циклу, что и холодильник. Однако цель теплового насоса иная по сравнению с холодильником. Холодильник предназначен для поддержания в охлаждаемом помещении низкой температуры. С другой стороны, цель тепловых насосов — поддерживать отапливаемое пространство при высокой температуре. Для этого тепловой насос должен поглощать тепло от источника с низкой температурой. Этим источником может быть вода, холодный воздух снаружи или земля. Поглотив тепло, он будет перемещен внутрь, чтобы нагреть нагретое пространство. На схеме ниже показан цикл теплового насоса.

Коэффициент полезного действия теплового насоса

Тепловой насос, как и холодильник, также имеет коэффициент полезного действия. Чтобы рассчитать $ COP_ {HP} $, вам нужно будет использовать приведенное ниже уравнение.

(уравнение 2) $ COP_ {HP} = \ frac {Q_H} {Q_H-Q_L} = \ frac {1} {1-Q_L / Q_H}

долларов США

Кроме того, COP $ теплового насоса и холодильника можно связать друг с другом с помощью следующего уравнения.

(уравнение 3) $ COP_ {HP} = $ COP_R + 1 $

Под этим соотношением подразумевается, что коэффициент полезного действия теплового насоса всегда больше единицы.Причина в том, что цена холодильника всегда положительна. В результате тепловой насос в худшем случае $ COP $ будет работать как резистивный нагреватель. Однако это возможно, если наружный воздух достаточно холодный, чтобы $ COP $ упал ниже единицы. Когда это произойдет, системе потребуется переключиться на резистивный нагрев. По этой причине традиционные тепловые насосы обычно не используются в холодном климате, поскольку их эффективность значительно упадет ниже точки замерзания воды. Исключение составляют геотермальные тепловые насосы, поскольку в них используются заглубленные в землю трубы, температура в которых более постоянная в течение всего года.

Кондиционер

Кондиционер — это, по сути, холодильник. Основное отличие состоит в том, что кондиционер охлаждает помещения и здания, а холодильник — отделения для продуктов.

Тепловой насос (холодильник)

Принцип работы теплового насоса. Отопление дома тепловым насосом.

На фото:

Технологии будущего

Принцип работы теплового насоса

На фото:

На фото:

На фото: насос F1245 от фабрики Nibe.

Достоинства тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса | Полезное

Как устроен тепловой насос?

Какими бывают тепловые насосы

Возникли вопросы?

Принцип действия теплового насоса | Viessmann

Процесс охлаждения в подробностях

1. Испарение

2. Сжатие газа

3. Конденсация

4. Расширение

Постоянное повторение процесса

Процесс на примере воздушно-водяного теплового насоса

варианты изготовления из холодильника и кондиционера, пошаговые руководства

Принцип работы и схема теплового насоса

Самодельный тепловой насос из холодильника: этапы создания

Виды теплонасосов: нюансы работы теплообменника фреон-вода

Контроллер для теплового насоса и другие элементы системы вода-вода

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника (видео)

Электрика.

Манипуляции с автомобильным компрессором

Модификация аквариумного насоса

Инструменты и материалы

Описание процесса

Последующие действия

Особенности эксплуатации

Принцип действия

Изготовление

Видео

Фото

Тепловые насосы для отопления дома –принцип действия

Тепловой насос

Применения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

Тепловые насосы

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Стратегия

Решение

Обсуждение

Кондиционеры и холодильники

Стратегии решения проблем термодинамики

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

Задачи и упражнения

Глоссарий

Избранные решения проблем и упражнения

В чем разница между тепловым насосом и холодильником?

КПД теплового насоса холодильника

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Земляные или геотермальные тепловые насосы

ССЫЛКИ

Тепловые насосы и холодильники — Физика колледжа, главы 1-17

Сводка

Пример 1: Лучший

СТРАТЕГИИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ДЛЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Концептуальные вопросы

Задачи и упражнения

Глоссарий

Решения

4.4 Холодильники и тепловые насосы

Авторы и авторство

холодильников и тепловых насосов — S.B.A. Изобретатель

Коэффициент полезного действия холодильника

Коэффициент полезного действия теплового насоса

Кондиционер

Published by alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ