Физические явления, используемые в тепловых насосах XIX век охарактеризовался интенсивным изучением физических свойств веществ, разработкой равновесной термодинамики как науки. В 1834 г. Б.П.Э. Клапейрон установил зависимость между параметрами газа: давлением р, объемом V и температурой T. Таким образом, в язык науки было введено уравнение состояния идеального газа: ~2~ Джоуль, чьим именем сейчас называют единицу энергии, и Томпсон, которому за научные заслуги позже был присвоен титул лорда Кельвина (сегодня его именем названа единица температуры), провели важные исследования и опубликовали их результат. Исследования позволили открыть новое ранее не известное явление: если газ под давлением протекает через дроссель - местное препятствие (пористую перегородку или отверстие небольшого диаметра), то его температура изменяется. Это явление вошло в научно-техническую литературу под названием эффект Джоуля-Томпсона. Таким образом, наука столкнулась с фактом неидеальности реальных газов. Напомню, что идеальными называют газы, между молекулами которых нет взаимодействия. Как объясняют физику эффекта Джоуля-Томпсона. ~3~ Проделанная над газом при дросселировании внешняя работа в адиабатическом процессе (без обмена теплом с окружающей средой) идет только на изменение его внутренней энергии. Поэтому при сжатии с ростом давления, когда молекулы газа сближаются и между ними возрастают силы отталкивания, теплота выделяется и растет температура газа. При расширении, когда давление падает и межмолекулярное взаимодействие ослабляется, теплота поглощается и температура снижается. Естественно, что разница температур газа по обе стороны дросселирующей перегородки будет определяться видом газа (силой межмолекулярного взаимодействия) и перепадом давления. При расширении воздуха (смесь азота, кислорода, углекислого газа и так далее), например, и перепаде давления по обе стороны дросселирующей перегородки 196 і 105 Па (196 бар = 200 атм) и начальной температуре 17°С температура газа снизиться на 35 градусов. Эффект Джоуля-Томпсона является основой получения низких температур, сжиженных газов, работы холодильной техники. А с семидесятых годов ХХ столетия он используется в тепловых насосах. Здесь как раз уместно напомнить о фазовом переходе первого рода (ФП1). Он известен с незапамятных времен, без него не было бы жизни на планете Земля. Известны 4 агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. К ФП1 относятся переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое. Например, испарение-конденсация, плавление-кристаллизация, растворение-кристаллизация, сублимация-кристаллизация. В точке перехода фазовый переход 1 рода характеризуется: o скачкообразным изменением значений характеристических функций и физических свойств системы; o наличием разрыва первых производных характеристических функций и свойств системы (теплоемкость, вязкость, плотность, энтропия, энтальпия, изобарно-изотермический потенциал и т.д.) по физическим параметрам (температура, давление, интенсивность электрического, магнитного или гравитационного поля и так далее); o наличием области метастабильного состояния. Шотландский физик Вильям Ренкин, один из основоположников технической термодинамики, ориентировочно в 1859 г. предложил термодинамический цикл тепловой машины, в которой в качестве рабочего тела используется вода и ее способность претерпевать ФП1. Цикл Ренкина до сих пор используется на тепловых и атомных электростанциях. Заключается он в следующем: вода в котле нагревается до температуры кипения, испаряется при кипении (ФП1), водяной пар вращает турбину, вырабатывая электричество, а отработав, конденсируется (ФП1) в конденсаторе. Конденсат (жидкая вода) возвращается в котел. Цикл замыкается. Цикл Ренкина хорошо знаком всем, кто изучал техническую термодинамику и теплотехнику. Но при обучении студентов-теплотехников преподаватели, рассказывая о цикле Ренкина, несколько смещают акценты. Главный акцент делается, как считал С. Карно, на "переносе теплоты рабочим телом от горячего резервуара к холодному". На мой взгляд, главным в случае производства электричества паровой турбиной является способность рабочего тела претерпевать ФП1 - фазовый переход первого рода. Тепло, а точнее определенная температура: высокая в парогенераторе, низкая в конденсаторе - необходимы для того, чтобы вызвать испарение в парогенераторе и конденсацию в конденсаторе. Процесс испарения идет с поглощением тепла. Чтобы испарить 1 кг воды при 100°С надо затратить 2256 кДж. Но при конденсации 1 кг воды выделяется точно такое же количество теплоты. Чем ниже межмолекулярное взаимодействие в газе, тем ниже энергозатраты на его испарение при кипении. Так, например, испарение Фреона 12 (дифтордихлометана) требует при температуре кипения -24,5°С 162 кДж/кг. Такое же количество тепла выделится при конденсации Фреона 12. При испарении вода переходит в пар, увеличивая свой объем в 22400/18 = 1240 раз (18 - молекулярный вес воды, 22400 мл - объем, который занимает одна граммолекула воды в газообразном состоянии). Оценка повышения объема воды при переходе из жидкого состояния в газообразное выполнена для одной граммолекулы воды и нормальных условий. ~4~ Уже при температуре кипения воды 100°С и неизменном давлении объем пара вырастет пропорционально росту температуры, то есть еще на четверть: ~5~ Таким образом, объем одной граммолекулы водяного пара в сравнении с объемом ее в жидком состоянии увеличится в 1,25 і (22400/18) = 1550 раз. Если процесс кипения вести в замкнутом пространстве с постоянным объемом, например, в парогенераторе, то расти будет давление. По такой же схеме использования ФП1 при переходе водяного пара в жидкость в результате конденсации давление пара будет уменьшаться во столько же раз. В цикле Ренкина в парогенераторе кипит вода, что приводит к росту давления. Образующийся водяной пар дополнительно нагревают в пароперегревателе, еще больше повышая его давление. В конденсаторе турбины водяной пар конденсируется, что приводит к снижению давления вплоть до вакуума. Создаваемая разность давлений между пароперегревателем и конденсатором, заставляет водяной пар мчаться с огромными скоростями из области повышенного давления в область пониженного давления, вращая при этом турбину и вырабатывая электричество. По сути, в паровой турбине воспроизводится тот процесс, который в природе вызывает образование смерчей, торнадо, тайфунов. Но высокие температуры (до 500°С в пароперегревателе турбины) в природе компенсируются огромными объемами водяного пара над просторами мирового океана. Естественно, что по вышеописанной схеме создается разность давлений между испарителем и конденсатором в замкнутом цикле при использовании любого рабочего тела, например, фреона или аммиака в холодильнике. В 1873 г. Л. Дюфур обнаружил, что в результате контактирования через пористую перегородку двух химически невзаимодействующих газов в точке контакта температура повышается. В случае контактирующих газов температура может увеличиваться на несколько градусов, а в случае контактирующих жидкостей рост температуры достигает 0,001 К. Эффект Дюфура назвали обратным термодиффузионным эффектом. В 1879-1981 г. Ш. Соре обнаружил прямой термодиффузионный эффект: перенос вещества в газах или растворах под влиянием разности температур. Эффект заключается в том, что при наличии постоянной разницы температур по обе стороны перегородки, разделяющей один и тот же газ, возникает, растет и становится постоянной разница давлений, даже если вначале ее не было. Таким образом, разница (градиент) температур приводит к разнице (градиенту) концентраций. Термодиффузионный эффект наблюдается не только в газах, но в том числе в жидкостях и твердом теле. Таким образом, в XIX веке были открыты и исследованы законы переноса массы. В первоначальной формулировке этих законов потоки того или иного свойства пропорциональны градиенту этого свойства. Так, поток электрического заряда (электрический ток) пропорционален градиенту электрического потенциала (напряженности электрического поля) - закон Ома; поток тепла пропорционален градиенту температуры - закон Фурье; поток вещества пропорционален градиенту концентрации - закон Фика. Однако обнаружено множество перекрестных эффектов, когда градиент одного свойства вызывает градиент и, следовательно, поток другого свойства. Наиболее известными среди них являются термоэлектрические эффекты: эффект Пельтье - появление разницы температур при протекании электрического тока через систему, состоящую из разнородных проводников, и термо-ЭДС - возникновение электродвижущей силы в системе из разнородных металлов, находящихся при разных температурах. Использование законов переноса вещества и ФП1 - фазового перехода первого рода, нашло разнообразное техническое применение. Мы расскажем только об одном. О тепловых насосах, которые позволяют черпать теплоту из окружающей среды. Эта фраза создает впечатление о нарушении второго начала термодинамики (в формулировке Р. Клаузиуса): невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам менее холодным. Однако в тепловом насосе теплота их окружающей среды в здание не переходит самопроизвольно - ее заставляют, используя набор "маленьких хитростей", выдумывать которые как раз и является задачей инженеров. Назначение тепловых насосов Широкое применение тепловые насосы нашли в последние двадцать лет в самых различных отраслях промышленности и коммунального хозяйства. Они используются для: 1. отопления жилых, административных и общественных зданий, гостиниц, больниц, зданий промышленного назначения, складов и т.д.; 2. кондиционирования воздуха в промышленных, административных и частных помещениях; 3. охлаждения воздуха на складах, овощехранилищах, винных погребах; 4. стабилизации относительной влажности воздуха в подвалах, прачечных, в помещениях для сушки белья; 5. горячего водоснабжения домов, дач, коттеджей, школ, детских садов, гостиниц, мотелей и других типов зданий. Принцип действия и типовая схема теплового насоса В тепловых насосах рабочее тело пребывает в двух агрегатных состояниях: жидком и газообразном. При осуществлении ФП1, как было упомянуто, поглощается или выделяется теплота (зависит от направления фазового перехода), увеличивается или уменьшается давление. Естественно, что любой тепловой насос для того, чтобы в непрерывном цикле совершить два ФП1 в противоположных направлениях, содержит четыре узла: компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор. Эти узлы связаны замкнутым трубопроводом. В трубопроводе циркулирует хладагент, который в одной части цикла находится в жидком состоянии, а в другой - в газообразном. Переход из жидкого состояния в газообразное и обратно совершается благодаря ФП1. Рабочий цикл теплового насоса осуществляется в четыре этапа (схема представлена на ~6~ 1): 1. Путем регулировки давления расширительным вентилем настраивается такой поток хладагента в испаритель, чтобы температура его кипения была ниже температуры рабочей жидкости в коллекторе. Вскипая - ФП1 - (испаряясь), жидкий хладагент поглощает тепло, поставляемое коллектором из окружающей среды. Одновременно давление образующегося газа повышается за счет того, что газ занимает гораздо больший объем, чем жидкость, из которой он образовался. 2. Образовавшийся при испарении газ повышенного давления всасывается в компрессор, облегчая его работу и снижая энергозатраты, и там сжимается. При сжатии выделяется тепло в таком же количестве, в котором оно было поглощено газом при испарении. Нагретый и сжатый газ поступает в конденсатор. 3. При конденсации газ превращается в жидкость (ФП1), выделяя при этом тепло. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса. Здесь тепло через теплообменник передается воде, циркулирующей по отдельной системе отопительного контура. 4. Жидкий хладагент через расширительный вентиль возвращается в испаритель. Рабочий цикл замыкается. Источники тепла, перекачиваемого тепловым насосом Тепловой насос извлекает тепло из окружающей среды: из грунтовых вод, почвы или воздуха. Грунтовая вода является идеальным источником тепла для теплового насоса, так как в течение года она сохраняет постоянную температуру +(8-10)°С. В случае, когда источником тепла является почва, на глубине до двух метров укладывают плоский коллектор. Площадь такого коллектора должна быть в 1,5-2 раза больше, чем отапливаемая площадь. Более компактным по занимаемой площади является спиралевидный коллектор. Возможен забор тепла из почвы через вертикальный зонд, но в этом случае зонд погружают в скважину глубиной 100 м. Если в качестве источника тепла используются подземные воды или почва, потребляемая компрессором теплового насоса электрическая мощность не зависит от температуры окружающего воздуха. Если источником тепла является окружающий здание воздух, тепловой насос эффективно работает при температуре воздуха не ниже - 15°С. По данным Министерства энергетики РФ применение теплового насоса в 1,2-2,5 раза выгоднее, чем использование самой эффективной котельной, сжигающей газ и выбрасывающей продукты сгорания в окружающую среду. Интересным вариантом использования теплового насоса может быть применения его для регенерации тепла воздуха хлевов, конюшен, промышленных помещений, холодильных установок, а также тепла сточных вод. Принципы расчетов применения тепловых насосов Тепловая потребность отапливаемого тепловым насосом здания рассчитывается с учетом теплопотерь на квадратный метр отапливаемой площади. Обычно она составляет для плохо утепленных зданий 80-100 Вт/м2; для хорошо утепленного здания 50 Вт/м2. Расчет тепловой потребности производится для самой низкой годовой тем-пературы данной климатической зоны и с условием, что отапливаются все помещения дома. Исходя из этого, рассчитывается мощность теплового насоса и параметры системы забора тепла. Наиболее пригодными для отопления коттеджа или загородного дома с точки зрения теплового насоса являются теплые полы (отопление через пол) и стены. Эффективность теплового насоса находится в обратно пропорциональной зависимости от температуры в системе отопления. Чем ниже эта температура, тем выше эффективность теплового насоса. Как раз такому требованию наиболее соответствуют системы распределения тепла через пол и стены. Согласно нормативным положениям температура в системе подпольного отопления не должна превышать +35°С. Такая температура обеспечивает равномерный прогрев помещения тепловым излучением, которое является для человека более приятным, чем конвенциональное тепло, идущее от настенных радиаторов. Разработан также вариант применения тепловых насосов, отапливающих дом через систему труб и радиаторов. При этом температура в системе отопления поддерживается на уровне 55-70°С. КПД таких установок несколько ниже. Тепловые цеолитовые насосы Фирма Vaillant оповестила о разработке газового теплового насоса, основанного на совершенно других принципах конверсии тепла, чем ранее изложенные. Прибор является эффективной альтернативой электрическому тепловому насосу, а также газовым отопительным котлам. Проект разработки насоса Vaillant финансируется Министерством экономики Германии. Результат своей разработки фирма Vaillant называет тепловой цеолитовый насос. Чтобы понять принцип действия и схему этого насоса, вспомним, что такое цеолит. Цеолиты это алюмосиликаты общей формулой ~7~. Цеолит - высокоэффективный минеральный адсорбент с чрезвычайно развитой внутренней поверхностью и, как следствие, очень высокой адсорбционной емкостью. Цеолиты еще называют молекулярными ситами, так как удается получать цеолиты с определенным размером внутренних пор. В эти поры могут "вписаться" только молекулы определенного размера. Это позволяет с помощью таких "калиброванных пор" избирательно извлекать из смеси только определенные молекулы, например, воды. Уже в семидесятые годы ХХ столетия промышленность выпускала цеолиты с диаметром пор от 4 до 10 ангстрем. Цеолиты лет 25 назад стали применяться как компонент моющих средств. Они заменили собой фосфаты, которые использовались для связывания в комплексы ионов Ca2+ и Mg2+, определяющих жесткость воды. Цеолит, адсорбируя ионы жесткости, делает воду мягкой и облегчал стирку. Цеолит, сходный по химическому составу с керамикой, негорюч, неядовит, экологически безопасен. Работа цеолитового теплового насоса основана на способности цеолита адсорбировать, благодаря своей огром-ной внутренней поверхности, значительные объемы воды. Динамическая влагоемкость цеолитов достигает 90-160 мг/см3. При нагревании цеолита вода удаляется в виде водяного пара. Нагревание влажного цеолита происходит косвенным путем через теплоноситель, нагреваемый газовой горелкой. При этом накопленная в цеолите вода испаряется и конденсируется в теплообменнике. Теплота, выделяющаяся в процессе конденсации, используется для отопления. Напомним, что при конденсации выделяется количество тепла равное удельной теплоте парообразования r (Дж/г = кДж/кг): ~8~ Если при температуре 20°С выделяется 2455 Дж/г сконденсированной воды, то при 100°С выделяется 2259 Дж/г сконденсированной воды. Таким образом, регулируя вакуум и температуру кипения можно регулировать количество выделившегося тепла, а значит и температуру теплоносителя. Для эффективного протекания процесса в системе предусмотрен вакуумный контейнер как один из модулей теплового насоса. После удаления воды из цеолита при нагревании, цеолит охлаждается. Конденсированная вода испаряться при кипении в вакуумном контейнере, поглощая тепло из окружающей среды при низкой температуре, и затем снова адсорбируется охлажденным цеолитом. При адсорбции воды цеолит нагревается, и это тепло также используется для отопления. После того как вся вода снова накапливается в цеолите, весь процесс повторяется. Цеолитовый тепловой насос в разрезе представлен на ~9~ 2. Основу отопительного аппарата составляют два одинаковых по конструкции модуля теплового насоса, в которых синхронно протекают различные фазы процесса. Благодаря последовательному соединению модулей и связанному с этим внутреннему теплообмену возможно дальнейшее увеличение КПД аппарата. Цеолитовый отопительный аппарат Vaillant, таким образом, относится к новому поколению газовых аппаратов для отопления жилых помещений и ГВС со средним годовым КПД в 130%. В то же время отопительные аппараты конденсационного типа имеют максимальный КПД до 108%, а обычные отопительные аппараты конвективного типа - до 93%. Цеолитовый отопительный аппарат обеспечивает значительную экономию энергоресурсов и уменьшение выброса вредных веществ в атмосферу. По сравнению с отопительными аппаратами конденсационного типа, выброс CO2 снижается на 20%, а по сравнению с низкотемпературными котлами предыдущего поколения - на 30%. Экономическая целесообразность выбора теплового насоса той или иной фирмы для конкретного региона и потребителя должна складываться из стоимости теплового насоса, затрат на его монтаж и дальнейшее обслуживание, стоимости топлива (или электроэнергии) в данном регионе, снижения затрат на топливо (или электроэнергию) при использовании теплового насоса.