Окна, двери, перегородки, полы, подвесные потолки...("Сделай сам" №4∙2005)

Холодильник и тепловой насос

Ю.Н. Новожилов

В ряде случаев для обогрева жилья, теплиц используется электрическая энергия. Особую актуальность эффективный обогрев жилых помещений с помощью электроэнергии приобрел в последнее время в связи с участившимися авариями в системах теплоснабжения городов и поселков.

Электроэнергия для этой цели может быть использована из общих сетей или от индивидуального источника, например, ветродвигателя.

Как известно, 1 киловатт-час при преобразовании в тепло эквивалентен всего 860 ккал. Столько тепла выделяется при сжигании всего 120 граммов условного топлива с калорийностью 7000 ккал /кг.

Не так уж и много. Учитывая высокую стоимость электроэнергии, такое отопление потребует значительных финансовых затрат. Однако эффективность отопления с использованием электроэнергии можно значительно повысить при применении давно известных тепловых насосов (ТН).

Тепловые насосы еще называют «умножителями тепла», «трансформаторами температур». Тепловой насос — это тепловая машина. Наиболее распространенный ее тип — это компрессионный.

В литературе приводится краткое и четкое описание процесса работы теплового насоса. Независимо от типа и конструкции это устройство выполняет, как правило, одну функцию — отбирает тепло от окружающей среды и отдает его при более высокой температуре в отапливаемое помещение или для подогрева в каком-либо техническом устройстве.

Такой процесс перехода теплоты сам по себе происходить не может — это запрещено вторым законом термодинамики. Поэтому для обеспечения работы теплового насоса необходима определенная затрата электроэнергии (чаще всего она и используется).

Принципиальная схема наиболее простого (парокомпрессорного) теплового насоса представляет из себя следующее.

Рабочее тело в парообразном состоянии сжимается компрессором. Нагревшимся при сжатии пар охлаждается и переходит в жидкое состояние в конденсаторе. При этом от него при повышенной температуре отводится к потребителю (например, в нагреваемое помещение) теплота. Давление полученной жидкости снижается в дросселе. При этом часть жидкости испарятся и ее температура снижается по сравнению с температурой окружающей среды. В испарителе холодная жидкость, отнимая теплоту у окружающей среды, полностью испаряется и снова поступает в компрессор. Цикл замыкается.

Термодинамический цикл в бытовом компрессионном холодильнике и тепловом насосе аналогичен.

Существуют промышленные тепловые насосы большой мощности. А вот для отопления жилого дома, теплицы требуется насос относительно небольшой мощности, который для широкого круга потребителей пока недоступен.

Может, для кого-то покажется удивительным, но обычный бытовой компрессионный холодильник одновременно является и тепловым насосом. И действительно, в морозильной камере холодильника рабочим телом (хладагентом) отбирается тепло при низкой температуре, затем это рабочее тело поступает на компрессор, после которого его давление и температура возрастают, а далее нагревшееся рабочее тело поступает на радиатор, где его тепло рассевается в окружающем воздухе при комнатной температуре, а само рабочее тело охлаждается. То есть тепло отбирается при низкой температуре, а сбрасывается при более высокой. А это и есть цикл теплового насоса.

Только конструкция холодильника предусматривает полезное использование холода, получаемого в морозильной камере при отборе оттуда тепла. А это отобранное тепло с возросшей температурой сбрасывается в атмосферу, как ненужный отход при работе термодинамической схемы. Холодильник автоматически отключается при достижении в его корпусе заданной температуры охлаждения. То есть работает он_ циклически.

В тепловом насосе, наоборот, основное внимание уделяется получению тепла с более высокой температурой, чем у среды, у которой это тепло отбирается. В принципе можно и обычный бытовой холодильник использовать как тепловой насос и тем самым повысить эффективность отопления помещений при потреблении для этой цели электроэнергии.

Причем увеличение эффективности и экономичности отопления в этом случае обеспечивается не за счет увеличения расхода электроэнергии, а благодаря более совершенному термодинамическому процессу, характерному для теплового насоса.

Схема использования бытового холодильника в качестве теплового насоса для отопления помещения показана на рис. 1.

Рис. 1. Холодильник как тепловой насос (вариант 1)

В помещении 1, например, в теплице, установлен обычный бытовой холодильник 2, содержащий морозильную камеру 3, компрессор 4, радиатор 5 для сброса тепла с повышенной температурой в помещение. Автоматика включения и отключения холодильника выведена из работы.

Холодильник дополнительно оснащают коробом 6, по которому в морозильную камеру холодильника поступает воздух, от которого в морозильной камере отбирается тепло (например, это может быть наружный воздух с улицы). В холодильнике этот воздух охлаждается, и его температура становится даже ниже температуры наружного воздуха. Как следствие, плотность воздуха возрастает, он опускается вниз корпуса холодильника и по коробу 7 выводится из холодильника на улицу. А вместо этого охлажденного воздуха с улицы по коробу 6 поступает в морозильную камеру холодильника новое количество наружного воздуха, который также отдаст свою долю тепла и выйдет из холодильника охлажденным. Таким образом осуществляется постоянная естественная циркуляция наружного воздуха через холодильник

Тепло от наружного воздуха в морозильной камере холодильника воспринимает рабочее тело — холодильный агент. Под действием этого тепла рабочее тело испаряется и поступает к компрессу 4, который сжимает его, повышая давление и температуру, после чего нагретое. рабочее тело в радиаторе 5 подогревает окружающий воздух, а само охлаждается и через дросселирующее устройство, где давление и температура снижаются, вновь поступает в морозильную камеру. Здесь воспринимает тепло от наружного воздуха и охлаждает его. Естественно, что для работы этой схемы необходимо, чтобы температура рабочего тела после дросселирующего устройства была ниже температуры наружного воздуха. Это должно быть обеспечено соответствующим подбором рабочего тела — холодильного агента.

Обычно в морозильной камере бытовых холодильников завод-изготовитель гарантирует температуру — 18–20 °C (ниже нуля). Значит, температура рабочего тела здесь будет несколько ниже этой температуры.

Такой холодильник может быть использован для отбора тепла у наружного воздуха при морозе до — 10–15 °C.

Как видно, процесс здесь идет непрерывно. В холодильную камеру холодильника постоянно, непрерывным потоком заходит наружный воздух, здесь он отдает тепло рабочему телу, а сам охлаждается и сбрасывается в атмосферу. Отобранное от него тепло повышает свой температурный потенциал в компрессоре и в конечном итоге через радиатор 5 поступает на обогрев помещения.

Возможен и другой способ установки холодильника в помещении, например теплицы, с целью ее обогрева (рис. 2).

Рис. 2. Холодильник как тепловой насос (вариант 2)

Холодильник может быть установлен в стене этого помещения 1. Внутрь помещения обращена задняя часть холодильника 2, на которой расположены компрессор 4 и радиатор 5. Наружу, на улицу выставлена передняя часть холодильника. При работе схемы дверца его должна быть открыта или снята. Схема работает аналогично приведенному выше варианту 1.

Морозильную камеру 3 заполняет наружный воздух. Так как рабочее тело имеет в ней температуру ниже температуры наружного воздуха, то от наружного воздуха в морозильной камере передается тепло рабочему телу, а сам наружный воздух охлаждается, плотность его возрастает и он стекает из морозильной камеры вниз, а на его место поступают новые порции наружного воздуха. Такая естественная циркуляция наружного воздуха происходит непрерывно.

А рабочее тело, получая в морозильной камере от наружного воздуха тепло, испаряется.

После этого компрессор 4 сжимает его, при этом давление и температура рабочего тела возрастают, он поступает в радиатор 5, где отдает тепло окружающему воздуху в помещении, нагревая его, а само рабочее тело при этом охлаждается и через дросселирующий элемент вновь поступает в морозильную камеру. Такая циркуляция рабочего тела идет постоянно, пока работает компрессор холодильника. Это и есть термодинамический цикл теплового насоса.

Работу теплового насоса характеризует тепловой коэффициент, представляющий отношение полученной от него теплоты к затраченной электроэнергии теплового насоса в соответствующих единицах. Этот коэффициент всегда больше единицы. То есть тепло, получаемое с помощью теплового насоса, всегда больше затрачиваемой на его работу энергии в соответствующем эквиваленте.

Объясняется это тем, что подводимая к тепловому насосу энергия, например электрическая, не только превращается в конечном итоге в тепло, но и совершает работу по повышению температурного потенциала тепловой энергии, отбираемой от окружающей среды с низким температурным потенциалом тепла, то есть с низкой температурой. Чем меньше величина повышения температуры с помощью теплового насоса, тем выше его тепловой коэффициент.

В качестве примера в литературе приведены цифры, характеризующие энергетические показатели теплового насоса для случая отопления помещения. Чтобы отапливать помещение и поддерживать в нем температуру +20 °C, конденсирующееся рабочее тело должно иметь температуру нагреваемого воздуха в помещении. Примем ее равной 50 °C. Температура окружающей среды (наружного воздуха), откуда насос берет тепло, будет —10 °C (зимние условия).

Для того чтобы рабочее тело могло кипеть в испарителе (морозильной камере), отнимая тепло от среды, оно должно быть несколько холоднее ее. Температура кипения принимается равной —20 °C.

Примем также, что отдаваемая в помещение тепловая мощность составляет 1 квт, а подводимая к компрессору тепловым насосом мощность равна 2 квт.

Тогда по энергетическому балансу отбираемая от окружающей среды (наружного воздуха) мощность составит 3 кВт. Расчет показывает, что в этом случае тепловой коэффициент имеет значение, равное 2,5.

Это значит, что в отапливаемое помещение с помощью теплового насоса будет подано тепла в 2,5 раза больше, чем израсходовано электроэнергии на его работу (в сопоставимых единицах).

В этом случае разность температур кипения рабочего тела в испарителе и его конденсации в радиаторе-конденсаторе составляет 70 °C. Чем меньше будет эта разность температур, тем выше будет тепловой коэффициент теплового насоса.

Рабочее тело подбирается с учетом условий его работы.

В настоящее время в связи со значительным износом оборудования тепловых сетей и котельных почти каждую зиму в разных городах страны происходят аварийные нарушения теплоснабжения. В этом случае применение теплового насоса позволило бы осуществить обогрев жилых домов и отдельных квартир более эффективно и экономично.

Тепловые насосы и бытовые компрессионные холодильники конструируются из аналогичных элементов, термодинамические процессы в них тоже аналогичны. Поэтому производство тепловых насосов не вызовет серьезных проблем, а польза от их использования в самых различных отраслях народного хозяйства, на предприятиях с самой различной формой собственности будет значительна.

А пока морально устаревший бытовой холодильник может еще поработать и как тепловой насос. Вот ведь какое дело: оказывается с помощью холодильника можно эффективно и экономично отапливать помещение.

_{Литература}

_{1. Бродянский В.М. Вечный двигатель прежде и теперь. — М.: Энергоатомиздат, 1989.}

_{2. Белов В.В. Теплонасосные установки. — М.: ВНИИПИ, 1985.}

_{3. Янтовский Е.И., Левин Л.A. Промышленные тепловые насосы. — М., 1989.}