Тепловий насос - пристрій для переносу теплової енергії від джерела низькопотенційної теплової енергії (з низькою температурою) до споживача (теплоносія) з більш високою температурою. В основі роботи теплового насоса лежить фізичний принцип - так званий «цикл Карно», який був розроблений і описаний ще в 19-му столітті. Цикл Карно названий на честь французького фізика Саді Карно, який вперше його досліджував в 1824 році. Але технічна можливість втілення ідеї в життя з'явилася тільки в 20-му столітті.
"Скільки потрібно сніжок, щоб натопити піч?" - так іронізував двісті років тому знаменитий філософ Д. Дідро. Його глузливий питання, як виявилося не позбавлений сенсу.
Теоретично джерелом тепла може бути будь-яка речовина, температура якого вище абсолютного нуля: повітря, скеляста порода, земля, вода і навіть сніг. Згадайте, як працює звичайнісінький домашній холодильник. Адже теплота, віднімають від охолоджуваних продуктів, теплота конденсації і теплота замерзання вологи, т. Е. Теплота освіти снігу і його охолодження, виділяється з холодильника і обігріває кімнату. У цьому легко переконатися, приклавши руку до задньої, іноді бічний, стінці холодильника: вона завжди тепла.
Таким чином, холодильна машина може з успіхом служити і для опалення. Замість того, щоб прямо витрачати електроенергію на електричні тени, обігрівальні будинок, може краще її використовувати для здійснення термодинамічної циклу і опалювати з її допомогою будинок снігом? Доведемо, що це цілком можливо.
Нехай температура снігу на вулиці -3 ° С (припустимо, що зима тепла, сутність питання це не змінить, а розрахунок спростить; можна сніг замінити холодною водою з річки або хоч навіть з Льодовитого океану - буде ще вигідніше). Температуру опалювальних приладів в будівлі встановимо 27 ° С. Різниця температур дорівнює 30 ° С. Абсолютна температура нагрівача 27 + 273 = 300 К. ККД теплової машини, що працює між такими близькими температурними межами, дуже малий - всього лише 0,1. (ККД = 30/300 = 0,1). Це означає, що якщо ми захочемо отримувати в такій машині роботу, то з кожних 10 Дж тепла, отриманих від нагрівача, в найкращому випадку ми можемо перетворити в роботу тільки 1 Дж.
Але якщо ми змусимо ту ж машину працювати в зворотному напрямку, то, витративши роботу, еквівалентну тільки 1 Дж, зможемо передати нагрівача (грубці) цілих 10 Дж, з яких 9 Дж будуть отримані від холодильника (снігу). Розглянемо як же працює тепловий насос:
1. Теплоносій, проходячи по трубопроводу, укладеному, наприклад, в землю нагрівається на кілька градусів. Всередині теплового насосу теплоносій, проходячи через теплообмінник, званий випарником, віддає зібране з навколишнього середовища тепло у внутрішній контур теплового насоса.
2. Внутрішній контур теплового насоса заповнений холодоагентом. Холодоагент, маючи дуже низьку температуру кипіння, проходячи через випарник, перетворюється з рідкого стану в газ. Це відбувається при низькому тиску і низькій температурі.
3. З випарника газоподібний холодоагент потрапляє, в компресор, де він стискається, його температура підвищується.
4. Далі гарячий газ поступає в другий теплообмінник (конденсатор). В конденсаторі відбувається теплообмін між гарячим газом і теплоносієм із зворотного трубопроводу системи опалення будинку. Холодоагент віддає своє тепло в систему опалення, охолоджується і знову переходить в рідкий стан, а нагрітий теплоносій системи опалення надходить до опалювальних приладів.
5. При проходженні холодоагенту через редукційний клапан - тиск знижується, холодоагент потрапляє в випарник, і цикл повторюється знову.
Теплові насоси використовуються в холодну пору року для опалення приміщення, а в теплу пору року їх використовують для охолодження повітря в будинку. Принцип роботи такого насоса при охолодженні приміщення такий же, як і при опаленні. Тільки тепло в цьому випадку забирається з повітря в приміщенні і віддається землі або водойми.
В даному випадку принцип роботи теплового насоса практично повністю збігається з принципом роботи холодильника.
Загалом, тепловий насос - це просто інша назва холодильника, який являє собою машину Карно, що працює в зворотному напрямку. Холодильник перекачує тепло з охолоджуваного об'єму в навколишнє повітря. Якщо помістити холодильник на вулиці, то, витягуючи тепло з зовнішнього повітря і передаючи його всередину будинку, то можна таким нехитрим способом обігрівати приміщення.