Вся правда о тепловых насосах.

На написание данного опуса меня сподвигла статья Вот такой имеет право быть "зеленая энергетика": абсорбционный холодильник Энштейна-Сцилларда,  а ещё более – комментарии к ней. Вернее сказать, данная статья стала последним толчком давно назревавшему порыву.

Спекуляции на тему тепловых насосов – это один из самых старых и распространённых фейков интернета в целом, и рунета в частности. Люди, зацикленные на поисках халявных источников энергии и построении вечных двигателей, мигрируют с ресурса на ресурс, и взахлёб рассказывают  о стремящемся к бесконечности КПД  оного девайса, уменьшении энтропии, и прочих богомерзких противоречащих фундаментальным физическим законам вещах.

Этих людей можно условно поделить на три группы:

1.      Технически неграмотные люди.

2.      Технически грамотные, но в силу каких-то причин не понимающие «физику» работы тепловых насосов.

3.       Фанаты «альтернативной энергетики» и прочие упоротые личности, для которых это вопрос веры.

Людей из третьей группы я сразу прошу воздержаться от написания комментариев к данной статье, ибо предупреждаю: фанатиков не люблю, поэтому троллить буду жёстко, а самых неадекватных буду банить. Поэтому не нужно рассказывать про атмосферное электричество и прочие  трансформаторы Теслы – пишите свои статьи на данные темы, и полемизируйте там в камментах на здоровье. У меня вам будет максимально некомфортно.

Для людей-же из первых двух групп  статья будет разбита на две части: в первой я буду всё объяснять «на пальцах», с различными упрощениями и приближениями, за что заранее прошу прощения у людей из второй группы, для которых во второй части статьи будут даны формулы и научные термИны.

Итак, приступим.

Как я выше уже сказал, при обсуждении тепловых насосов обычно постулируется утверждение,  что КПД тепловых насосов выше единицы (100%), причём в разы, потому что при работе теплового насоса, на киловатт потраченной электроэнергии «вырабатывается» несколько киловатт  тепловой энергии.

В реальности суть работы любой холодильной машины заключается в том, что она переносит тепловую энергию из одного места в другое. Для этого используется хладагент, который выполняет роль аккумулятора тепловой энергии. А насос лишь перекачивает хладагент, накопивший в себе тепловую энергию внешней среды. 

Наиболее уместной аналогией в данной ситуации будет сравнение работы теплового насоса с нефтяным или газовым трубопроводом. Нефть – это жидкий аккумулятор энергии, которую лишь перекачивают с помощью насосов с одного места в другое. При этом на 1 кВт электроэнергии, потраченной на работу насоса, переносятся несколько киловатт (или даже десятков киловатт) энергии, заключённой в углеводородах.

  Более грубой, но тоже верной будет аналогия с бензовозом: автомобиль в состоянии перевозить на сотни километров десятки тонн горючего, сам при этом расходуя максимум несколько сотен литров топлива. Однако никто в здравом уме не будет говорить о КПД  автомобиля, равном 1000%.

На самом деле отношение потребляемой энергии холодильной машины к переносимой ею тепловой энергии, это вовсе не её КПД, а тепловой коэффициент. Если опять упростить ситуацию, и провести аналогию с более понятными читателям АШ терминами, то тепловой коэффициент по своей сути, это аналог  EROEI. И если воспринимать его именно как EROEI, то коэффициент, колеблющийся в пределах 3,5-4,5 (а это нормальные значения теплового коэффициента для современных холодильных машин) вовсе не кажутся запредельными, а являются, как известно, нижним приемлемым значением для безубыточной добычи энергии. Что, в свою очередь, позволяет нам говорить о том, что холодильная машина Энштейна-Сциларда, в теории, в состоянии работать практически без использования внешних источников энергии, а на  практике-же  можно добиться от неё минимального энергопотребления. И если современный бытовой кондиционер потребляет в районе 1 – 2 кВт/ч электроэнергии,  то для машины Энштейна-Сциларда вполне возможно уменьшить эту цифру на порядок. Понятно, что у машины Энштейна-Сциларда есть свои недостатки: меньшее КПД, чем у традиционных тепловых насосов  (что выражается  в  бОльших геометрических размерах машины, чем у традиционных установок сопоставимой производительности), и более высокая себестоимость их производства. Поэтому лично мне наиболее целесообразным видится  использование таких машин в качестве промышленных, в минимальном форм-факторе установок центрального кондиционирования, по типу тех, что за границей монтируют в многоквартирных домах.  Но практическому применению тепловых насосов будет отдельная статья.

Ну а сейчас обещанные технические подробности расчёта КПД холодильной машины (источник тут):

Рассмотрим устройство холодильной машины на примере бытового компрессионного холодильника. Он состоит из замкнутого трубопровода, в который последовательно включены компрессор, радиатор, дроссель и морозильная камера (рис. 1).

Рис. 1.Главные части электрического холодильника.

Действие холодильников механического или газового типа основано на том, что при сжижении газа выделяется теплота, а при превращении жидкости в пар теплота отнимается от соприкасающихся с жидкостью тел и передается более нагретому телу. Этим более нагретым телом является воздух внешней среды, который в результате работы холодильника нагревается до еще более высокой температуры.

Используя рисунок 2, рассмотрим последовательность работы холодильной машины (в том числе бытового холодильника).

Рабочим телом к домашнем компрессионном холодильнике служит газ фреон (дифтордихлор-метан CF₂C1₂).

Рис.2. Схема узлов холодильника

(1 — компрессор, 2 — радиатор, 3 — дроссель, 4 — морозильная камера);

Фреоном заполнена система конденсатора и испарителя. Компрессор 1, приводимый в действие электродвигателем, сжимает газообразный фреон приблизительно до 800 кПа. При быстром, почти адиабатическом сжатии газ нагревается. Охлаждение его до комнатной температуры и последующая конденсация производится в радиаторе (конденсаторе) 2, расположенном обычно на задней стенке холодильного шкафа. Охлажденный до комнатной температуры, фреон переходит в жидкое состояние. Из конденсатора образовавшаяся жидкость поступает в дроссель 3— переходит от очень узкого сечения трубопровода в широкое. Происходит адиабатическое расширение приблизительно до 200 кПа. Жидкость при этом испаряется, что приводит к понижению температуры. Далее охлажденный газ через трубку поступает в испаритель (морозильную камеру) 4 и охлаждает находящиеся там объекты. При этом он нагревается. Нагретый фреон вновь поступает в компрессор. Цикл повторяется вновь. Таким образом, одни и тот же газ служит передатчиком теплоты от внутренней камеры холодильника наружу.

Самая низкая температура, которая может быть получена в испарителе (морозильной камере), определяется значением давления паров фреона, так как температура кипения фреона, как и любой другой жидкости, понижайся с понижением давления. При постоянной скорости поступления жидкого фреона из конденсатора в испаритель через капиллярную трубку давление паров фреона в испарителе будет тем ниже, чем дольше работает компрессор. Если нет нужды добиваться понижения температуры в испарителе до предельно достижимого значения, то работа компрессора периодически останавливается путем выключения электромотора, приводящего его в действие. Компрессор выключается автоматом, следящими за поддержанием в холодильном шкафу заданной температуры.

При работе холодильной машины за цикл у холодного тела, находящегося в холодильной камере, рабочим телом (газом) при расширении отнимается количество теплоты Q₂.(рис.3) При этом внешние силы совершают механическую работу А. Нагревателю (более горячему телу) за цикл работы холодильной машины передаётся количество теплоты Q ₁= Q+ А.

В реальных холодильных установках (холодильниках) нагревателем является окружающая среда. Работа А совершается, как правило, за счёт электрической энергии.

Рис. 3.Энергетическая схема холодильной машины.

Q₁ < 0, A < 0, Q₂ > 0, T₁ > T₂.

Работа холодильника не опровергает второй закон термодинамики, а протекает в полном соответствии с ним. Холодильник и воздух комнаты не составляют замкнутой системы. Холодильник необходимо подключить к электрической сети. Электрическая энергия с помощью электродвигателя превращается в механическую энергию, затем механическая энергия в результате работы компрессора холодильника превращается, в конечном счете, в энергию теплового движения молекул деталей холодильника и окружающих его тел. Следовательно, переход тепла от холодного тела к горячему не является единственным результатом работы холодильника, так как этот процесс сопровождается превращением энергии электрического тока в энергию теплового движения

КПД холодильной машины находиться из выражения

 n=A/Q1=Q1-Q2/Q1.

В случае, если холодильная машина является идеальным обратимым тепловым двигателем, ее КПД рассчитывается по формуле

n=T1-T2/T1.

Важнейшей характеристикой холодильной машины является холодильный коэффициент, равный:

e=Q2/A=Q2/Q1-Q2

Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты отнимается от охлаждаемого тела при совершении единицы работы.

Другая важная характеристика холодильной машины - хладопроизводительность, показывающая какое количество теплоты способна отнимать машина от тела в единицу времени:

q=Q2/t

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q₂ от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником.

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла Q₁ нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом.

 Определение КПД холодильника.

В данном случае будем считать холодильник идеальной обратимой тепловой машиной.

Тогда    n=Q1-Q2/Q1=T1-T2/T1

Отсюда Q1-Q2=nQ1; Q2=Q1-nQ1=(1-n)Q2

Q1=Q2/1-n=Cv*m*dT

где Cv - удельная теплоемкость воздуха; dT - искомая разность конечной и начальной температур воздуха в комнате; m – масса воздуха.