Главная Статьи Насосы Тепловые насосы: виды, принцип работы

Тепловые насосы: виды, принцип работы

Чтобы одержать победу над зимней стужей домовладельцы пытаются найти энергоносители и подходящие отопительные котлы, завидуя счастливцам, к домам которых уже подведены все необходимые коммуникации. Каждую зиму в печах сжигается огромное количество тонн древесины, нефтепродуктов, угля, расходуются мегаватты электроэнергии на огромные суммы, которые растут год от года. Между тем, многие забывают, что один постоянный источник энергии постоянно находится рядом с нашими домами – это Земля. Выгоднее всего для отопления дома использовать тепло нашей планеты с помощью специального геотермального теплового насоса.

История появления теплового насоса

Впервые теоретическое обоснования работы таких устройств в 1824 году привел французский физик Сади Карно, опубликовав свою работу о паровых машинах, где был от и до описан термодинамический цикл Спустя 10 лет, он был подтвержден физиком Бенуа Клайпероном и получил название «цикл Карно».

Первая лабораторная модель теплового насоса была создана английским физиком Уильямом Томсоном в 1825 году. Промышленная модель теплового насоса появилась в 1856 году австрийским горным инженером Петером фон Риттенгером. Своим применением в отоплении прибор обязан Роберту Уэбберу.

Роберт обратил внимание, что труба, которая выходит из морозильной установки, горячая. Он решил использовать это тепло на бытовые нужды. Уэббер удлинил трубу и пропустил ее через бойлер с горячей водой. Идея изобретателя стала пользоваться успехом, горячая вода была у домочадцев в избытке, однако часть тепла уходила в пространство безвозвратно.

Роберт Уэббер не мог смириться с этим фактом, он добавил к выводу из морозильника змеевик, рядом с которым расположил вентилятор. В результате получилась установка для воздушного отопления дома. Спустя какое-то время изобретателю пришла в голову идея, что добывать тепло можно прямо из под ног. Он разместил в земле систему медных труб, по которым циркулировал фреон. Газ собирал тепло в земле, доставлял его в дом и там отдавал, а после опять возвращался в теплосборник под землей.

Тепловой насос, созданный Уэббером оказался настолько эффективным, что он полностью перевел отопление дома на эту установку, отказавшись от традиционных отопительных приборов. Долгое время изобретение не находимо общественного признания, и лишь в 70-х годах ХХ века к тепловым насосам возник интерес.

У нас вы можете купить тепловые насосы от известных мировых производителей.

Принцип действия теплового насоса

По мере погружения в земную кору увеличивается ее температура, это связано с близким расположение верхнего слоя магмы, температура которого равна 1300С. Температура грунта всегда остается положительной на глубине 3 метров в любое время года, с каждым километром она повышается от 3 до 10С.

Рост температуры грунта может зависеть не только от климатических условий определенной местности, но и от геологии грунта, а так же эндогенной активности в конкретном районе. Для эффективной работы теплового насоса нет необходимости зарывать насос на глубину нескольких километров, источником тепловой энергии может быть любая среда с температурой выше 0С.

Тепловой насос осуществляется перенос тепловой энергии из воздуха, грунта или воды, повышая в процессе переноса температуру до необходимой за счет сжатия хладагента. Существует несколько типов тепловых насосов: сорбционные и компрессионные.

Несмотря на сбивающее с толку название, компрессионные тепловые насосы относятся к холодильным устройствам и работают по тому же принципу, что и кондиционеры. Основным отличием насоса является то, что для его работы необходимо два контура – внутренний, где циркулирует хладагент и внешний, где циркулирует теплоноситель. В процессе работы этого устройства хладагент внутреннего контура проходит следующие этапы.

1. Охлажденные хладагент в жидком состоянии поступает по контуру через отверстие капилляра в испарителе. Под влиянием быстрого понижения давления происходит испарение хладагента, он переходит в газообразное состояние. Двигаясь по изогнутым трубкам испарителя и контактируя в процессе движения с газообразными или жидкими теплоносителями. Теплоноситель отдает хладогенту низкотемпературную тепловую энергию, послу чего он поступает в компрессор.
2. В камере компрессора происходит сжатие хладогента, при этом происходит возрастание его давления, что приводит к повышению температуры хладагента;
3. Далее горячий хладагент идет по контуру в змеевик конденсатора, который выступает в роли теплообменника, здесь происходит отдача тепла теплоносителю, который циркулирует по дому. Когда хладагент тратит большую часть тепловой энергии, он возвращается в жидкое состояние.
4. После того, как хладагент проходит через расширительный клапан, остаточное давление снижается и он испаряется. Далее рабочий цикл повторяется вновь.

Таким образом, делаем вывод, что устройство теплового насоса состоит из капилляра, испарителя, компрессора и конденсатора. Работой компрессора управляет встроенный терморегулятор, который прекращает подачу электропитания к компрессору и задает тем самым режим выработки тепла заданного пользователем. Если температура опускается ниже заданного уровня, то терморегулятор включает компрессор автоматически.

Компрессионные тепловые насосы могут иметь привод от электромотора или от двигателя внутреннего сгорания. В сорбционных тепловых насосах используется физико-химический процесс – абсорбция, в ходе которого происходит увеличение в объемах жидкости или газа за счет другой жидкости под действием определенных температур.

Абсорбционные тепловые насосы оборудованы термическим компрессором, который работает на природном газе. В их контур входит хладагент, испаряющийся при низкой температуре и давлении, при этом происходит поглощение из среды тепловой энергии. В парообразном состоянии хладагент поступает в теплообменник, где под действием растворителя подвергается абсорбции.

К преимуществам абсорбционных тепловых насосов можно отнести возможность работы от любого теплового источника тепловой энергии, а так же полного отсутствия движущихся элементов. К недостаткам – небольшую мощность по сравнения с компрессионными агрегатами, высокая стоимость и сложность конструкции.

В адсорбционных тепловых насосах преимущественно используются твердые материалы, такие как активированный уголь, цеолит или силикагель. На первом этапе происходит производство тепловой энергии, к примеру, от газовой горелки. Нагрев приводит к парообразованию хладагента, пар доставляется ко второму теплообменнику, который отдает тепло, полученное при конденсации пара в отопительную систему.

Заключение

К одному из основных преимуществ теплового насоса можно отнести высокий уровень экономичности. Для получения 1 кВт тепловой энергии в час будет достаточно 350 ватт электроэнергии. Система теплового насоса полностью автономна, прибор работает в автоматическом режиме, эксплуатационные затраты крайне низкие.

Габаритные размеры установки теплового насоса примерно равняются размерам обычного холодильника, уровень производимого шума так же совпадает. Использовать тепловой насос можно, как для получения тепловой энергии, так и для ее удаления. Излишки тепловой энергии будут удаляться через внешний контур в грунт и воду.

К единственному недостатку данных тепловых приборов можно отнести высокую стоимость установки. Однако нет сомнений, что в скором будущем тепловые насосы перестанут являться чем-то диковинным для России, а если учитывать ежегодный рост цен на природный газ, такое решение, несомненно, приведет к снижению финансовых затрат.