Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон (лорд Кельвин) в 1852 г. Она была названа «умножитель тепла» и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения, уже тогда, Томсон указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи. Предложенный Томсоном тепловой насос (ТН) использовал воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывался в цилиндр, расширялся, охлаждаясь от этого, а затем проходил теплообменник, где нагревался наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей. Фактически подобная машина была реализована в Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на отопление.

Дальнейшее свое развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах 20 века, когда в Англии была создана первая установка, предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок.

Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938;1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60 °C при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. В период с 1939 по 1945 года было создано еще 9 подобных установок, с целью сокращения потребления угля в стране. Некоторые из них успешно проработали более 30 лет.

Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остается фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН. Тепловой насос можно рассматривать как обращенную тепловую машину. Тепловая машина получает тепло (рис. 1) от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу. Тепловой насос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой.

Можно показать, что если обе эти машины обратимы (т. е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение QH/W. Если бы это было не так, то можно было бы построить вечный двигатель просто соединив одну машину с другой. Только в случае тепловой машины это отношение записывается в виде W/QH и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно остается в виде QH/W и называется коэффициентом преобразования теплоты (Кт).

Если считать, что тепло изотермически подводится при температуре ТL, и изотермически отводится при температуре ТH, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии (рис. 2), работа подводится от внешнего двигателя, то коэффициент преобразования для цикла Карно будет иметь вид:

К_Т = Т_L/(Т_H — Т_L)+1= Т_H /(Т_H — Т_L)

Таким образом никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизится к этому пределу.