7) Малые габариты и вес.

Идею создания испарительного теплового насоса была высказана английским физиком Кельвином в 1852 г. В основе теплового насоса лежат два физических явления. Первое: когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда конденсируется, отдает его. Второе: когда давление повышается повышается и температура испарения и конденсации вещества

В тепловом насосе происходит отбор теплоты низкопотенциального источника и его утилизация следующим образом. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, проложенному в земле или воде, нагревается на несколько градусов, затем, проходя через теплообменник испарителя теплового насоса отдает аккумулированную теплоту. Хладагент с низкой температурой кипения в испарителе при низком давлении, отбирая эту теплоту, переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор сжимает хладагент, при повышении давления повышается температура газа до 50-80°С, и затем горячий газ поступает в теплообменник конденсатора, где происходит передача тепла в систему отопления.

В настоящее время наиболее широко применяются два класса тепловых насосов. К одному классу можно отнести термоэлектрические на эффекте Пельтье, а к другому – испарительные, которые, в свою очередь подразделяются на механические компрессорные (поршневые или турбинные) и абсорбционные (диффузионные). Кроме того, постепенно возрастает интерес к использованию в качестве тепловых насосов вихревых труб, в которых работает эффект Ранка.

Тепловые насосы на эффекте Пельтье. Эффект Пельтье заключается в том, что при подаче на две стороны специально подготовленной полупроводниковой пластины, рис.3, небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая – охлаждается.

Рис. 3 Элемент Пельтье

Физическая суть эффекта состоит в следующем. Пластина элемента Пельтье (он же «термоэлектрический элемент», англ. Thermoelectric Cooler, TEC), состоит из двух слоёв полупроводника с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При переходе электрона под действием внешнего напряжения в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, он должен приобрести энергию. При получении им этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников (при протекании тока в обратном направлении происходит обратный эффект – место контакта слоёв нагревается дополнительно к обычному омическому нагреву). Достоинством элементов Пельтье является максимальная простота их конструкции (что может быть проще пластины, к которой припаяны два проводка) и полное отсутствие каких-либо движущихся частей, а также внутренних потоков жидкостей или газов. Следствием этого является абсолютная бесшумность работы, компактность, полное безразличие к ориентации в пространстве (при условии обеспечения достаточного теплоотвода) и очень высокая стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Да и рабочее напряжение составляет лишь несколько вольт, поэтому для работы вполне достаточно нескольких батареек или автомобильного аккумулятора.

Главным недостатком термоэлектрических элементов является их относительно невысокая эффективность – ориентировочно можно считать, что на единицу перекачанного тепла им потребуется вдвое больше подведённой внешней энергии, то есть, подведя 1 Дж электрической энергии, из охлаждаемой области мы сможем удалить лишь 0.5 Дж тепла. Понятно, что все суммарные 1.5 Дж выделятся на «тёплой» стороне элемента Пельтье и их надо будет отвести во внешнюю среду. Это во много раз ниже эффективности компрессионных испарительных тепловых насосов.

На фоне столь низкого КПД обычно уже не так важны остальные недостатки, – а это небольшая удельная производительность в сочетании с высокой удельной стоимостью. В соответствии с их особенностями, основная область применения элементов Пельтье в настоящее время обычно ограничивается случаями, когда требуется не очень сильно охладить что-либо не слишком мощное, особенно в условиях сильной тряски и вибраций и при жёстких ограничениях по массе и габаритам, – например, различные узлы и детали электронной аппаратуры, прежде всего военной, авиационной и космической. Пожалуй, самое широкое распространение в быту элементы Пельтье получили в маломощных (5..30 Вт) переносных автомобильных холодильниках.

Испарительные компрессионные тепловые насосы. Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. В основе работы теплового насоса лежит обратный термодинамический цикл Карно. Хладагент обладает важным свойством – закипать при отрицательных температурах. Что бы заставить хладагент переносить тепло, тепловой насос оснащают четырьмя ключевыми элементами: компрессор, расширительный клапан (ТРВ), испаритель и конденсатор, рис.4.

Для удобства описания принципа работы теплового насоса, разделим цикл на 4 основные фазы:

I. Расширение. Хладагент, находящийся в жидком состоянии, продавливается через расширительное устройство – терморегулирующий вентиль (ТРВ). Задача ТРВ резко понизить давление рабочей жидкости. При относительно низком давлении (около 7 бар) рабочая жидкость способна закипеть, даже при температуре -25 С. Это важно, поскольку кипение и испарение и есть процесс поглощения и выделения энергии, а это необходимое условие для второй фазы.

II. Кипение. После ТРВ жидкость поступает в испаритель, который представляет собой теплообменник. При помощи этого компонента, тепловой насос отбирает тепло от окружающей среды. Хладагент закипает и испаряется, поглощая теплоту. В итоге на выходе из испарителя хладагент находиться полностью в парообразном состоянии и всего на несколько градусов теплее своего первоначального состояния. Однако, благодаря переходу в пар, рабочая жидкость смогла получить достаточное количество энергии и готова к следующему этапу.

III. Сжатие. Дальше хладагент поступает в компрессор, при помощи которого тепловой насос сжимает рабочую жидкость. В процессе сжатия, давление хладагента повышается, это сопровождается одновременным нагревом.

IV. Сжижение. После компрессора, горячий хладагент поступает в конденсатор, который так же является теплообменником. В конденсаторе рабочая жидкость конденсируется, отдавая тепло и превращаясь снова в жидкость. Это тепло передается системе отопления и горячего водяного снабжения (ГВС). На выходе из конденсатора хладагент находится в жидкой фазе и снова поступает на ТРВ.