Удома можна опалювати холодом.
О. БОГАЄВСЬКИЙ інженер
м Свердловськ
Напевно, багатьом здасться дивним, якщо ми скажемо, що будинки жителів села, селища або міста, розташованих на березі великої ріки, озера або моря, взимку можна опалювати за рахунок тепла зазначених водойм. Дійсно, як можна нагріти приміщення, скажімо, до 20 град. водою річки або озера, температура якої не перевищує 2-4 °?
Але нічого неправдоподібно в цьому немає. Хоча з фізики відомо, що передача тепла від холодного тіла гарячого неможлива, - такий процес вважають протиприродним, - проте в тій же фізиці йдеться про те, що можна завжди здійснити протиприродний процес ціною природного. Що це означає?
Відомо, що механічна енергія, наприклад, вільно переходить в теплову. Це природний процес природи. Поїзд, що зупинився, зниклий звук, стіхнувшій вітер - все це випадки перетворення механічної енергії в теплоту.
Відомо також, що після сильного шторму вода в морі кілька нагрівається. Зворотно ж теплота в роботу сама по собі не переходить - це протиприродно. Для цього потрібні спеціальні пристрої, тобто машини, в яких отримання роботи з теплової енергії купується ціною переходу відомого кількості тепла з гарячого тіла на холодну.
Кажуть, що ккд парової турбіни дорівнює 25%. Це означає, що з 100% тепла тільки четверта частина його створює роботу, а три чверті витрачаються на даремний підігрів навколишнього середовища.
Чи можна зменшити цю жертву природі? Так можна! І до цього постійно прагнуть наші енергетики. Ккд теплової машини буде тим більше, чим вище температура гріє джерела і нижче температура навколишнього середовища. Наприклад, у парової турбіни, що працює на температурному перепаді від 300 до 30 °, граничний ккд дорівнює 47%, а при температурному перепаді від 500 до 30 ° - вже 61%. Ось чому зараз в теплоенергетиці ведеться завзята боротьба за освоєння турбін надвисоких параметрів, в яких температура пара досягає 550 - 600 °.
Отже, для того щоб провести неприродний процес, скажімо - отримати роботу з теплоти, потрібна машина і певна жертва природі у вигляді природного процесу, тобто в разі теплових двигунів переклад відомого кількості тепла з гарячого джерела на холодний. Перехід тепла з холодного тіла на гаряче також є неприродним процесом, а тому і для нього буде потрібно машина і компенсація у вигляді якогось природного процесу.
Існує кілька способів перекладу тепла з холодного тіла на гаряче. Ми ж розглянемо тільки один, найбільш поширений з них, - компресійний.
Як в теплосилової установці турбіна перетворює тепло в роботу, точно так само і тепловому насосі компресор переводить тепло з холодного тіла на гаряче. Якщо в паровій турбіні робочим тілом є водяна пара, в газовій турбіні або дизелі - суміш повітря з продуктами горіння палива, то в тепловому насосі найчастіше робочим тілом служить аміак або суміш його з водою. Основними елементами паротурбінної установки є турбіна, котел і конденсатор. А в тепловому насосі основними елементами є теж котел і конденсатор, а замість турбіни - компресор.
У паротурбінної установки котел обігрівається топковим газами. В тепловому ж насосі котел обігрівається теплом водойми. І різниця між ними тільки в температурі. Якщо в котлі парової турбіни водяна пара нагрівається до 300 і більше градусів, то в котлі теплового насоса пари аміаку нагріваються всього лише до 2 - 4 °. У паротурбінної установки відпрацьований пар віддає своє тепло воді в конденсаторі, в тепловому ж насосі пари аміаку також в конденсаторі віддають своє тепло опалювального приміщення.
Так, але опалювального приміщення потрібно віддавати тепло при температурі принаймні не нижче 20 °, а в казані аміак нагрівся всього лише до 2 - 4 °. За рахунок чого ж піднялася температура аміаку в конденсаторі? Виявляється, це нагрівання зробив компресор. Відомо, що при стисненні пара температура його зростає.
Але для того, щоб стиснути пар, буде потрібно затратити роботу. Значить, робота компресора якраз і є тією даниною природі, за рахунок якої і купується протиприродний процес-перехід тепла з холодного водойми в тепле приміщення.
Але, може бути, витрати роботи на компресор будуть такі великі, що, як то кажуть, «овчинка не варта вичинки»? Відповідь на це питання може дати тільки розрахунок. Розглянемо ж ще раз, але більш докладно, роботу теплового насоса, принципова схема якого наведена на кольоровій вкладці.
Пари аміаку в котлі, нагрівшись приблизно до температури водойми, тобто до 2 - 4 ° С. і маючи порівняно невеликий тиск, засмоктуються компресором і стискаються їм до такого нового тиску, при якому температура їх стає вище температури опалювального приміщення. Природно, при цьому компресор витрачає певну кількість механічної енергії. Стислі і нагріті пари аміаку з компресора надходять в конденсатор, де вони, віддавши частину свого тепла на обігрів приміщення, охолоджуються і конденсуються. Через спеціальний дросельний вентиль рідкий аміак з конденсатора внаслідок різниці тисків переходить в котел. Тут він випаровується і, природно, охолоджується; причому температура його стає нижчою за ту, з якою він раніше засмоктувався компресором, так як в конденсаторі він втратив частину свого тепла, який пішов на обігрів приміщення. Далі, знову підігрівшись ЕА рахунок тепла водойми до температури 2 - 4 °, пари аміаку знову надходять в компресор, який, стиснувши їх, передає в конденсатор. Таким чином, витрачаючи роботу на компресор, ми безперервно будемо переводити тепло з холодного водойми в тепле приміщення.
У промисловості тепловий насос також може знайти собі широке застосування, особливо в тих випадках, коли потрібні невеликі зміни температур. До речі сказати, тепловий насос вже увійшов в хімічну та харчову промисловість, де він застосовується при випаровуванні і дистиляції розчинів.
На закінчення треба сказати, що описана схема аміачного компресорного теплового насоса є не єдиною і, крім того, має, так би мовити, академічний характер. Технічна схема теплового насоса буде складніше. Для техніки, крім економічності, потрібно ще, щоб машина була простою, надійною, компактною, дешевої, довговічною і ін.
Важливою технічною характеристикою теплового насоса є величина його питомої теплової потужності, тобто відношення кількості переданого насосом тепла від холодного джерела до гарячого - до ваги робочого тіла. Очевидно, чим більше питома теплова потужність, тим насос компактніше і дешевше. Істотне збільшення теплової потужності в аміачному компрессионном тепловому насосі можна отримати, якщо в компресор буде надходити сухий пар аміаку, а саме стиснення буде відбуватися вже в області перегрітої пари.
Для того щоб тепловий насос найбільш повно задовольняв вимогам сучасної техніки, потрібно вміло вибрати речовина для робочого пара, тобто не обов'язково аміак, а також вигідно побудувати його робочий цикл, керуючись при цьому в основному економічністю і величиною питомої теплової потужності.
При технічному рішенні теплового насоса зустрінуться, звичайно, і конструктивні труднощі, а також труднощі, пов'язані з вибором робочого матеріалу. Але всі ці труднощі принципово можна розв'язати. Більш того, для їх вирішення є ясно окреслені шляхи. Все це дає впевненість у тому, що не за горами той час, коли теплові насоси міцно увійдуть в наш побут і в нашу промисловість, як увійшли в них парова турбіна, двигун внутрішнього згоряння, холодильні установки та ін. Для теплоенергетиків відкривається широке і цікаве поле діяльності!
Невичерпне джерело тепла.
Н. Зінгер,
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Всесоюзного теплотехнічного інституту
Ідея застосування теплових насосів не нова. Ще в 1920 році російський фізик професор В. А. Міхельсон розробив «Проект динамічного опалення», в якому детально розглядалася техніка використання тепла низького потенціалу для теплопостачання.
Перші досліди з використання теплових насосів відносяться до 1924 року. Для теплового насоса потрібна така ж обладнання, як і для звичайної холодильної установки. Завдяки цьому холодильна установка, яка влітку служить для охолодження повітря в системі його кондиціонування, взимку може бути використана в якості теплового насоса для опалення будівлі. Кілька десятків таких установок в період з 1930 по 1940 рік були споруджені в США. Джерелом тепла низького потенціалу в цих установках були артезіанська вода, вода від міського водопроводу, зовнішнє повітря.
Широко распростраюяться теплові насоси почали після значного удосконалення обладнання холодильних установок і зниження вартості електроенергії. Особливо широке поширення вони отримали в Швейцарії, Англії та США, де число їх досягає декількох тисяч.
Основним показником економічності роботи теплового насоса є відношення кількості корисно використаного тепла до теплового еквіваленту електричної енергії, витраченої на роботу компресора. Це відношення називають зазвичай опалювальним коефіцієнтом, або коефіцієнтом перетворення теплового насоса "Мю" Очевидно, що чим вище значення коефіцієнта перетворення, тим більш економічною може бути робота теплового насоса.
Граничне значення коефіцієнта трансформації теплового насоса "Мю" ід, який може бути отриманий при заданій температурі «гарячого» джерела Т1 (Т1 - температура, відрахувавши від абсолютного нуля температур. Ця температура дорівнює (t1 + 273 °, де t1- температура «гарячого» джерела, виражена в градусах Цельсія) і заданої температури «холодного» джерела Те, визначається за формулою:
Це значення може бути отримано в «ідеальному» процесі, в якому не враховуються неминучі втрати в компресорі, двигуні, теллообменних апаратах, теплових мережах. Дійсні значення коефіцієнтів трансформації становлять приблизно 50-60% від максимальних значень. Як видно з наведеного виразу, значення коефіцієнта трансформації різко зростає при зниженні різниці температур між «гарячим» і «холодним» джерелами. Наприклад, якщо температура води в річці 4 ° С, а температура води, яка повинна бути подана в систему опалення, 95 ° С, то ідеальний коефіцієнт трансформації дорівнює 4, а дійсний 2-2,5. Це означає, що на кожну одиницю енергії, витрачену у вигляді механічної роботи в компресорі, буде корисно використано для опалення 2-2,5 одиниці енергії у вигляді тепла. Або, витративши 1 квт-ч електроенергії в компресорі, можна отримати близько 2 тис. Великих калорій тепла. Якщо ж цей кіловат-годину електроенергії використовувати безпосередньо для опалення, наприклад, в електроплитці, то ми отримаємо тільки 860 великих калорій тепла.
Якщо є джерело тепла з температурою, скажімо, 25 ° С, а система опалення допускає застосування води з температурою 50-60 ° С (наприклад, панельна система опалення), то дійсний коефіцієнт трансформації підвищується до 6, тобто, витративши 1 квт-ч електроенергії в компресорі, можна отримати більш 5 000 великих калорій тепла для опалення.
Таким чином, з технічного боку застосування теплових насосів не викликає будь-яких суттєвих ускладнень. Доцільність ж їх застосування повинна визначатися техніко-економічним порівнянням різних варіантів теплопостачання.
Теплові насоси, як правило, можуть успішно конкурувати з електричним опаленням. Як показали порівняльні розрахунки, для звичайних умов опалення за допомогою теплових насосів приблизно рівноцінно опалення від місцевих котелень, але значно поступається системам теплофікації.
Початкові витрати на установку теплового насоса значно перевищують вартість споруди котельні.
У літню пору така теплонасосная установка може бути використана для кондиціонування повітря, яке необхідно через високу температуру і вологість повітря.
Слід сказати, що питання про практичне застосування теплових насосів все ще залишається однією з невирішених проблем сучасної науки і техніки. Успішне ж рішення цієї важливої проблеми відкриє нові невичерпні джерела тепла, які можуть бути використані на благо всього людства.