Как работает «Тепловой насос»?

Все тепловые насосы используют принцип закона Бойля - температура и давление паров вещества непосредственно и пропорционально связаны при постоянном объеме.

Закон Бойля: PV / T = постоянная

Каждый тепловой насос имеет фиксированный рабочий объем, следовательно, давление изменяется пропорционально изменениям температуры или наоборот.

Цикл сжатия пара:

До сих пор наиболее распространенным процессом в тепловом насосе является цикл сжатия пара, для чего в цепи установлен компрессор, который питается от электричества, но так же может работать с помощью газового двигателя внутреннего сгорания.

Газовые абсорбционные тепловые насосы:

Они используют принцип подвода тепла - чаще всего тепла, которое выделяется при сжигании газа, этим создается необходимая температура при этом образуется перепад давления в веществе со смешенным соединением, такими как аммиак / вода или бромид лития / вода.

Все тепловые насосы имеют в своей конструкции испаритель и конденсатор, которые выполняют функцию получения тепла от источника и его удаление (соответственно).

Итак, вернёмся к закону Бойля: PV / T = постоянная

Объем (V) является постоянным при давлении теплового насоса (P) и температуре (T), которые являются основными переменными и связанны пропорционально. Если давление повышается, в то время как объем остается тем же, то температура будет подниматься (поглощение энергии, которое создает давления в виде тепла, дает нам увеличение температуры).

Давайте посмотрим на некоторые практические примеры такого явления:

1) Почему велосипедный насос нагревается, когда Вы накачиваете им шину?

Тут очень мало общего с трением! Попробуйте тот же эксперимент, когда насос отключен от шины, и, хотя на самом деле вы можете качать быстрее, но он не будет становиться теплее, сколько бы вы не старались.

Во время накачивания, вы повышаете давления воздуха в шине, который заключен в постоянном объеме (объем шины намного больше, в сравнении с объемом насоса, который постоянно меняется), поэтому температура будет подниматься, поглощая энергию, тем самым вызывая повышение давления в виде тепла. 

Вот почему и воздушные компрессоры для накачивания шин или компрессоры для сжатого воздуха нагреваются при работе. 

2) Почему чай будет вкуснее, если находиться рядом с Мертвым море, чем, если находиться на вершине Эвереста?

Конечно, может быть более желанным попить чаю на вершине Эвереста, чем у Мертвого моря, но кулинарная причина в том, что вода должна быть очень горячей, чтобы получился хороший чай, а точка кипения воды связана с давлением воздуха вокруг неё. Вода кипит при температуре около 66 ° C на вершине Эвереста (низкое атмосферное давление на большой высоте), но немного выше 100 ° C около Мертвого моря (потому что она находится ниже уровня моря, высокое атмосферное давление), что позволяет чаю завариться лучше!

Это дает доказательство того, что давление и температура связаны между собой.

Если изменить давление вещества, сохранив его объём, то это приведёт к изменению его температуры.

3) Почему астронавту нужно определённое давление в скафандре?

Без костюма, под давлением кровь астронавта немедленно бы 'вскипела' из-за крайне низкого атмосферного давления. Это еще раз показывает, что жидкость может изменить состояние и изменить свою температуру, просто изменив давление.

Подведём некоторый итог вышесказанному: 

Тепловые насосы используют законы физики для испарения (кипения) и конденсации хладагента при различных температурах, изменяя давление, при котором это происходит. Это дает большое количество тепла, которое переходит (накачкой) от низких температур к более высоким. 

Один пример этого цикла - это цикл сжатия пара. 

Цикл сжатия паров состоит из 4 основных компонентов: 

Испаритель: Это теплообменник, который принимает низкотемпературное тепло из источника (земля или воздух) и передает его в циркулирующий хладагент. Хладагент принудительно открывает расширительный клапан и срабатывает всасывающий эффект в компрессоре, который даёт переход от жидкости к газу внутри испарителя. Это обычно требует большого количества тепла * (например, кипения от воды до формы пара), и поэтому испаритель становится очень холодным, забирая необходимое тепло из окружающей среды (обычно воздуха или вода). 

(* Скрытой теплоты испарения значительно больше, чем по сухому теплу.) 

Компрессор: Сжимает газ низкой температуры, низкого давление и преобразовывает его в газ высокого давления, что приводит к увеличению температуры газа (как в примере с велосипедным насосом). Это создает низкое и высокое давления, которые обеспечивают изменение фазы (жидкость-газ-жидкость). 

Конденсатор: Он разработан таким образом, что высокое давление горячего газа, отдает свое тепло и превращается в жидкость - конденсируется. Это тепло передается в воду или воздух, циркулирующий по системе отопления. 

Расширительный клапан: Высокое давление жидкого хладагента из конденсатора проходит через расширительный клапан, который действует как клапан перепада давления (высокое давление с одной стороны и низкое с другой). 

Затем процесс повторяется в качестве постоянного цикла.

Следующая схема показывает весь процесс немного более подробно и демонстрирует в качестве примера - тепловой насос схемы "воздух-воздух". Парокомпрессионные тепловые насосы используют хладагент для передачи тепла по аналогии с кондиционером.

Схема ниже также показывает, как легко можно использовать ключевые компоненты теплового насоса для создания обратного процесса, т.е. для выкачивания тепла из помещения, становясь, таким образом, блоком "кондиционером" (более правильно называется охладитель).

Вы можете ясно видеть, что все основные компоненты такие же, только работа уже с обратным потоком (через 4-х ходовой реверсивный клапан) и разницей в некоторых дополнительных второстепенных компонентах (например, обратный и расширительный клапаны).

Газовые абсорбционные тепловые насосы (ГАТН).

Тепловые насосы с процессом поглощения газа/адсорбции (ГАТН) используют комбинацию носителя и хладагента.

Наиболее распространенное решение смесь аммиака в качестве хладагента и воды в качестве носителя. На схеме ниже продемонстрирован весь процесс. Состоит ГАТН из следующих элементов: (1) Генератор (2) Конденсатор (3)Расширительный клапан (4) Испаритель (5) Абсорбер (6) Насос для раствора (7) Второй клапан расширения.

ГАТН используют перепады давления и изменения температуры для перемещения тепла, другим способом создавая цикл сжатия пара.