Тепловые насосы | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Во второй половине XIX века после появления работ Клаузиуса большинство учёных, занимавшихся термодинамикой, в один голос утверждали, что с помощью механической работы разделять тепло и холод, конечно, можно — ведь при перемещении поршня в цилиндре с одной его стороны газ сжимается и нагревается, а с другой разрежается и охлаждается. Однако полученное таким образом тепло всегда будет меньше, чем затраченная механическая работа. Такой в те времена была одна из формулировок второго начала термодинамики. Но к концу XIX века появились мощные холодильные установки, которые могли перекачать тепла как минимум вдвое больше, чем тратилось энергии на приведение их в действие. Это был шок, ведь формально выходило, что тепловой вечный двигатель возможен! Однако при внимательном рассмотрении выяснилось, что до вечного двигателя по-прежнему далеко, а низкопотенциальное тепло, добытое с помощью теплового насоса, и высокопотенциальное тепло, получаемое, например, при сжигании топлива, — это две большие разницы. Правда, соответствующая формулировка второго начала была несколько видоизменена. Так что же такое тепловые насосы?

Принцип работы теплового насоса

Принцип работы теплового насоса прост: за счёт механической работы либо других видов энергии он обеспечивает концентрацию тепла, ранее равномерно распределённого по некоторому объёму, в одной части этого объёма. В другой части, соответственно, образуется дефицит тепла, то есть холод.

Исторически тепловые насосы впервые начали широко применяться в качестве холодильников — по сути, любой холодильник представляет собой тепловой насос, выкачивающий тепло из холодильной камеры наружу (в комнату или на улицу). Никакой альтернативы этим устройствам до сих пор нет, и при всём многообразии современной холодильной техники базовый принцип остаётся прежним: откачка тепла из холодильной камеры за счёт дополнительной внешней энергии.

Естественно, практически сразу же обратили внимание на то, что заметный нагрев теплообменника конденсатора (у бытового холодильника он обычно выполнен в виде чёрной панели или решётки на задней стенке шкафа) можно было бы использовать и для обогрева. Это уже была идея обогревателя на основе теплового насоса в её современном виде — холодильник наоборот, когда тепло закачивается в замкнутый объём (помещение) из неограниченного внешнего объёма (с улицы). Однако в этой области конкурентов у теплового насоса полно — начиная с традиционных дровяных печей и каминов и заканчивая всевозможными современными отопительными системами. Поэтому многие годы, пока топливо было относительно дешёвым, эта идея рассматривалась как не более чем курьёз, — в большинстве случаев она была абсолютно невыгодна экономически, и лишь крайне редко такое использование было оправдано — обычно для утилизации тепла, откачиваемого мощными холодильными установками в странах с не слишком холодным климатом. И только со стремительным ростом цен на энергоносители, усложнением и удорожанием отопительного оборудования и относительным удешевлением на этом фоне производства тепловых насосов, такая идея становится экономически выгодной сама по себе, — ведь заплатив один раз за довольно сложную и дорогую установку, затем можно будет постоянно экономить на сокращённом расходе топлива. Тепловые насосы являются основой набирающих популярность идей когенерации — одновременной выработки тепла и холода — и тригенерации — выработки сразу тепла, холода и электричества.

Поскольку тепловой насос является сутью любой холодильной установки, то можно сказать, что понятие «холодильная машина» — его псевдоним. Правда, следует иметь в виду, что несмотря на универсальность используемых принципов работы, конструкции холодильных машин всё-таки ориентированы именно на выработку холода, а не тепла, — например, вырабатываемый холод концентрируется в одном месте, а получаемое тепло может рассеиваться в нескольких разных частях установки, потому что в обычном холодильнике стоит задача не утилизировать это тепло, а просто избавиться от него.

Классы тепловых насосов

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 небольшого постоянного напряжения, одна сторона этой пластины нагревается, а другая — охлаждается. Вот, в общем-то, и готов термоэлектрический тепловой насос!

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).

Достоинства элементов Пельтье

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.

Недостатки элементов Пельтье

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.

Использование элементов Пельтье

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. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Это зона нагрева (задняя стенка кухонного холодильника). Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, — существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. Проходя по каналам панели испарителя, холодная смесь жидкого и парообразного теплоносителя отбирает тепло из зоны охлаждения. За счёт этого тепла продолжает испаряться оставшаяся жидкой часть хладагента, поддерживая стабильно низкую температуру испарителя и обеспечивая эффективный отбор тепла. После этого хладагент в виде пара добирается до входа компрессора, который откачивает и вновь сжимает его. Затем всё повторяется сначала.

Таким образом, на «горячем» участке компрессор-конденсатор-дроссель хладагент находится под высоким давлением и преимущественно в жидком состоянии, а на «холодном» участке дроссель-испаритель-компрессор давление низкое, а хладагент в основном находится в парообразном состоянии. И сжатие, и разрежение создаются одним и тем же компрессором. С противоположной от компрессора стороны тракта зоны высокого и низкого давления разделяет дроссель, ограничивающий поток хладагента.

В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели).

В общем случае изменение агрегатного состояния хладагента необязательно — принцип будет рабочим и для постоянно газообразного хладагента, — однако большая теплота изменения агрегатного состояния многократно повышает эффективность рабочего цикла. Но вот если хладагент будет всё время находиться в жидком виде, эффекта не будет принципиально — ведь жидкость практически несжимаема, а потому ни повышение, ни снятие давления не изменят её температуру.

Дроссели и детандеры

Многократно употребляемые на этой странице термины «дроссель» и «детандер» обычно мало что говорят людям, далёким от холодильной техники. Поэтому следует сказать пару слов об этих устройствах и основном различии между ними.

Дросселем в технике называется устройство, предназначенное для нормирования потока за счёт его принудительного ограничения. В электротехнике это название закрепилось за катушками, призванными ограничить скорость нарастания тока и обычно применяемыми для защиты электросхем от импульсных помех. В гидравлике дросселями, как правило, называют ограничители потока, представляющие собой специально созданные сужения канала с точно рассчитанным (калиброванным) просветом, обеспечивающим нужный поток или необходимое сопротивление потоку. Классическим примером таких дросселей являются жиклёры, широко использовавшиеся в карбюраторных двигателях для обеспечения расчётного поступления бензина при подготовке топливной смеси. Дроссельная заслонка в тех же карбюраторах нормировала поток воздуха — второго необходимого ингредиента этой смеси.

В холодильной технике дроссель используется для ограничения потока хладагента в расширительную камеру и поддержания там условий, необходимых для эффективного испарения и адиабатического расширения. Слишком большой поток может вообще привести к заполнению расширительной камеры хладагентом (компрессор просто не успеет откачать его) или, по крайней мере, к потере там необходимого разрежения. А ведь именно испарение жидкого хладагента и адиабатическое расширение его паров обеспечивает необходимое для работы холодильника падение температуры хладагента ниже температуры окружающей среды.

Принципы работы дросселя (слева), поршневого детандера (в центре) и турбодетандера (слева).

В детандере расширительная камера несколько модернизирована. В ней испаряющийся и расширяющийся хладагент дополнительно совершает механическую работу, перемещая находящийся там поршень или вращая турбину. При этом ограничение потока хладагента может осуществляться за счёт сопротивления поршня или колеса турбины, хотя на деле это обычно требует очень тщательного подбора и согласования всех параметров системы. Поэтому и при использовании детандеров основное нормирование потока может осуществляться дросселем (калиброванным сужением канала подачи жидкого хладагента).

Турбодетандер эффективен лишь при больших потоках рабочего тела, при малом потоке его эффективность близка к обычному дросселированию. Поршневой детандер может эффективно работать с гораздо меньшим расходом рабочего тела, однако конструкция его на порядок сложнее турбины: помимо самого поршня со всеми необходимыми направляющими, уплотнениями и системой возврата, требуются впускные и выпускные клапаны с соответствующим управлением ими.

Преимуществом детандера перед дросселем является более эффективное охлаждение за счёт того, что часть тепловой энергии хладагента превращается в механическую работу и в такой форме отводится из теплового цикла. Более того, эта работа затем может быть использована с пользой для дела, скажем, для привода насосов и компрессоров, как это сделано в «холодильнике Зысина». Зато простой дроссель имеет абсолютно примитивную конструкцию и не содержит ни одной движущейся детали, а потому по надёжности, долговечности, а также простоте и себестоимости изготовления оставляет детандер далеко позади. Именно эти причины обычно ограничивают область применения детандеров мощной криогенной техникой, а в бытовых холодильниках используются менее эффективные, зато практически вечные дроссели, называемые там «капиллярными трубками» и представляющие собой простую медную трубку достаточно большой длины с просветом малого диаметра (обычно от 0.6 до 2 мм), которая обеспечивает необходимое гидравлическое сопротивление для расчётного потока хладагента.

Достоинства компрессионных тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов — их высокая эффективность, самая высокая среди современных тепловых насосов. Соотношение подведённой извне и перекачанной энергии у них может достигать 1:3 — то есть на каждый джоуль подведённой энергии из зоны охлаждения будет откачано 3 Дж тепла — сравните с 0.5 Дж у элементов Пельте! При этом компрессор может стоять отдельно, и выработанное им тепло (1 Дж) необязательно отводить во внешнюю среду в том же месте, где отдаются 3 Дж тепла, откачанные из зоны охлаждения.

Кстати, существует отличающаяся от общепринятой, но весьма любопытная и убедительная теория термодинамических явлений. Так вот, один из её выводов заключается в том, что работа по сжатию газа в принципе может составлять лишь порядка 30% от его общей энергии. А это означает, что соотношение подведённой и перекачанной энергии 1:3 соответствует теоретическому пределу и при термодинамических методах перекачки тепла не может быть улучшено в принципе. Впрочем, некоторые производители уже заявляют о достижении соотношения 1:5 и даже 1:6, и это соответствует действительности — ведь в реальных холодильных циклах используется не просто сжатие газообразного хладагента, но и изменение его агрегатного состояния, и именно последний процесс является главным...

Недостатки компрессионных тепловых насосов

К недостаткам этих тепловых насосов можно отнести, во-первых, само наличие компрессора, неизбежно создающего шум и подверженного износу, а во-вторых, необходимость использования специального хладагента и соблюдение абсолютной герметичности на всём его рабочем пути. Впрочем, бытовые компрессионные холодильники, непрерывно работающие по 20 лет и более без какого-либо ремонта, — совсем не редкость. Ещё одна особенность — довольно высокая чувствительность к положению в пространстве. На боку или вверх ногами вряд ли заработает и холодильник, и кондиционер. Но это связано с особенностями конкретных конструкций, а не с общим принципом работы.

Как правило, компрессионные тепловые насосы и холодильные установки проектируются в расчёте на то, что на входе компрессора весь хладагент находится в парообразном состоянии. Поэтому попадание на вход компрессора большого количества неиспарившегося жидкого хладагента может вызвать в нём гидравлический удар и, как результат, серьёзную поломку агрегата. Причиной такой ситуации может быть как износ аппаратуры, так и слишком низкая температура конденсатора — поступающий в испаритель хладагент слишком холодный и испаряется слишком вяло. Для обычного холодильника такая ситуация может возникнуть, если пытаться его включить в очень холодном помещении (например, при температуре около 0°С и ниже) либо если он только что внесён в нормальное помещение с мороза. Для работающего на обогрев компрессионного теплового насоса это может случится, если пытаться отогреть им промороженное помещение при том, что на улице тоже холодно. Не очень сложные технические решения устраняют эту опасность, но они удорожают конструкцию, а при штатной эксплуатации массовой бытовой техники в них нет нужды — такие ситуации не возникают.

Использование компрессионных тепловых насосов

В силу своей высокой эффективности именно этот тип тепловых насосов получил практически повсеместное распространение, вытеснив все остальные в различные экзотические области применения. И даже относительная сложность конструкции и её чувствительность к повреждениям не могут ограничить их широкое использование — почти на каждой кухне стоит компрессионный холодильник или морозильник, а то и не один!

Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы

Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом — абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH₃ (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. От этого процесса произошли альтернативные названия таких тепловых насосов — диффузионные или абсорбционно-диффузионные.

Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водо-аммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. Затем вновь соединяют пары аммиака с водой, удаляя из испарителя излишки аммиачных паров и поддерживая там низкое давление. Обогащённый аммиаком раствор опять направляется в десорбер на разделение. В принципе, для десорбции аммиака кипятить раствор не обязательно, достаточно просто нагреть его близко к температуре кипения, и «лишний» аммиак улетучится из воды. Но кипячение позволяет провести разделение наиболее быстро и эффективно. Качество такого разделения является главным условием, определяющим разрежение в испарителе, а стало быть, эффективность работы абсорбционного агрегата, и многие ухищрения в конструкции направлены именно на это. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы, пожалуй, являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования.

«Изюминкой» принципа работы является то, что для выработки холода здесь используется нагрев рабочего тела (вплоть до его кипения). При этом вид источника нагрева непринципиален, — это может быть даже открытый огонь (пламя горелки), поэтому использование электричества необязательно. Для создания необходимой разности давлений, обуславливающей движение рабочего тела, иногда могут использоваться механические насосы (обычно в мощных установках при больших объёмах рабочего тела), а иногда, в частности в бытовых холодильниках, — элементы без подвижных частей (термосифоны).

Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат (АДХА) холодильника «Морозко-ЗМ». 1 — теплообменник; 2 — сборник раствора; 3 — аккумулятор водорода; 4 — абсорбер; 5 — регенеративный газовый теплообменник; 6 — дефлегматор («обезжиживатель»); 7 — конденсатор; 8 — испаритель; 9 — генератор; 10 — термосифон; 11 — регенератор; 12 — трубки слабого раствора; 13 — пароотводящая трубка; 14 — электронагреватель; 15 — термоизоляция. По материалам сайта elremont.ru.

Первые абсорбционные холодильные машины (АБХМ) на аммиачно-водяной смеси появились во второй половине XIX века. В быту из-за ядовитости аммиака они тогда большого распространения не получили, но весьма широко использовались в промышленности, обеспечивая охлаждение вплоть до –45°С. В одноступенчатых АБХМ теоретически максимальная холодопроизводительность равна количеству затраченного на нагрев тепла (реально, конечно, заметно меньше). Именно этот факт подкреплял уверенность защитников той самой формулировки второго начала термодинамики, о которой говорилось в начале этой страницы. Однако сейчас и абсорбционные тепловые насосы преодолели это ограничение. В 1950-х годах появились более эффективные двухступенчатые (два конденсатора или два абсорбера) бромистолитиевые АБХМ (хладагент — вода, абсорбент — бромид лития LiBr). Трёхступенчатые варианты АБХМ запатентованы в 1985-1993 годах. Их образцы-прототипы по эффективности превосходят двухступенчатые на 30–50% и приближаются к массовым моделям компрессионных установок.

Здесь я не рассматриваю все подробности множества сложных процессов, протекающих при работе абсорбционных тепловых насосов. В Интернете достаточно сайтов, где всё это описано в деталях. Я, например, многие сведения по АБХМ нашёл здесь.

Достоинства абсорбционных тепловых насосов

Главное достоинство абсорбционных тепловых насосов — это возможность использовать для своей работы не только дорогое электричество, но и любой источник тепла достаточной температуры и мощности — перегретый или отработанный пар, пламя газовых, бензиновых и любых других горелок — вплоть до выхлопных газов и даровой солнечной энергии.

Второе достоинство этих агрегатов, особенно ценное в бытовых применениях, — это возможность создания конструкций, не содержащих движущихся деталей, а потому практически бесшумных (в советских моделях этого типа иногда можно было услышать тихое бульканье или лёгкое шипение, но, конечно, это не идёт ни в какое сравнение с шумом работающего компрессора).

Наконец, в бытовых моделях рабочее тело (обычно это водо-аммиачная смесь с добавлением водорода или гелия) в используемых там объёмах не представляет большой опасности для окружающих даже в случае аварийной разгерметизации рабочей части (это сопровождается весьма сильной и неприятной вонью, так что не заметить значительную утечку невозможно, и помещение с аварийным агрегатом придётся покинуть и проветрить «автоматически»; сверхмалые же концентрации аммиака естественны и абсолютно безвредны — достаточно сказать, что без них не обходится и жизнедеятельность здорового человеческого организма). В промышленных установках объёмы аммиака велики и его концентрация при утечках может быть смертельной, но в любом случае аммиак числится экологически безопасным, — считается, что в отличии от фреонов он не разрушает озоновый слой и не вызывает парниковый эффект.

Недостатки абсорбционных тепловых насосов

Главный недостаток этого типа тепловых насосов — их более низкая эффективность по сравнению с компрессионными.

Второй недостаток — сложность конструкции самого агрегата и довольно высокая коррозионная нагрузка от рабочего тела, либо требующая использования дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов, либо сокращающая срок службы агрегата до 5..7 лет. В результате стоимость «железа» получается заметно выше, чем у компрессионных установок той же производительности (прежде всего это касается мощных промышленных агрегатов).

В-третьих, многие конструкции весьма критичны к размещению при установке — в частности, некоторые модели бытовых холодильников требовали установки строго горизонтально, и уже при отклонении на несколько градусов отказывались работать. Использование принудительного перемещения рабочего тела с помощью помп в значительной степени снимает остроту этой проблемы, но подъём бесшумным термосифоном и слив самотёком требуют очень тщательного выравнивания агрегата.

В отличии от компрессионных машин абсорбционные не так боятся слишком низких температур — просто их эффективность снижается. Но я недаром поместил этот абзац в раздел недостатков, потому что это не значит, что они могут работать в лютую стужу — на морозе водный раствор аммиака банально замёрзнет в отличие от используемых в компрессионных машинах фреонов, температура замерзания которых обычно ниже –100°C. Правда, если лёд ничего не порвёт, то после оттаивания абсорбционный агрегат продолжит работу, даже если его всё это время не отключали из сети, — ведь механических насосов и компрессоров в нём нет, а мощность подогрева в бытовых моделях достаточно мала, чтобы кипение в районе нагревателя не стало слишком интенсивным. Впрочем, всё это уже зависит от особенностей конкретной конструкции...

Использование абсорбционных тепловых насосов

Несмотря на несколько меньшую эффективность и относительно более высокую стоимость по сравнению с компрессионными установками, применение абсорбционных тепловых машин абсолютно оправдано там, где нет электричества или где есть большие объёма бросового тепла (отработанный пар, горячие выхлопные или дымовые газы и т.п. — вплоть до солнечного нагрева). В частности, выпускаются специальные модели холодильников, работающие от газовых горелок, предназначенные для путешественников-автомобилистов и яхтсменов.

В настоящее время в Европе газовые котлы иногда заменяют абсорбционными тепловыми насосами с нагревом от газовой горелки или от солярки — они позволяют не только утилизировать теплоту сгорания топлива, но и «подкачивать» дополнительное тепло с улицы или из глубины земли!

Как показывает опыт, в быту вполне конкурентоспособны и варианты с электронагревом, прежде всего в диапазоне малых мощностей — где-то от 20 и до 100 Вт. Меньшие мощности — вотчина термоэлектрических элементов, а при бóльших пока безусловны преимущества компрессионных систем. В частности, среди советских и пост-советских марок холодильников этого типа были популярны «Морозко», «Север», «Кристалл», «Киев» с типичным объёмом холодильной камеры от 30 до 140 литров, хотя существуют и модели на 260 литров («Кристалл-12»). Кстати, оценивая потребление энергии, стоит учитывать тот факт, что компрессионные холодильники почти всегда работают в коротко-периодическом режиме, а абсорбционные обычно включаются на гораздо более длительный срок или вообще работают непрерывно. Поэтому, даже если номинальная мощность нагревателя будет гораздо меньше мощности компрессора, соотношение среднесуточного потребления энергии может быть совсем другим. Зато пиковая нагрузка на сеть от абсорбционных тепловых насосов заметно меньше, чем от компрессорных, а это очень актуально там, где мощность подключения ограничена (скажем, в некоторых садовых товариществах выделяемая на участок мощность может составлять всего 2 кВт, да и при использовании маломощного бензинового электрогенератора превышение мощности даже на сотню-другую ватт может оказаться очень критичным). Кроме того, нагревательные элементы обычно переносят кратковременные «просадки» и «всплески» напряжения гораздо легче, чем электромоторы компрессоров.

Вихревые тепловые насосы

Вихревые тепловые насосы используют для разделения теплого и холодного воздуха эффект Ранка. Суть эффекта заключается в том, что газ, тангенциально подаваемый в трубу на высокой скорости, внутри этой трубы закручивается и разделяется: из центра трубы можно отбирать охлаждённый газ, а с периферии — нагретый. Этот же эффект, хотя и в гораздо меньшей степени, действует и для жидкостей.

Достоинства вихревых тепловых насосов

Главное достоинство этого типа тепловых насосов — простота конструкции и большая производительность. Вихревая труба не содержит движущихся деталей, и это обеспечивает ей высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на её работу.

Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела.

В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени: в литературе приводятся цифры охлаждения на 200° и более. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.

Недостатки вихревых тепловых насосов

К сожалению, эффективность этих устройств в настоящее время заметно уступает эффективности испарительных компрессионных установок. Кроме того, для эффективной работы они требуют высокой скорости подачи рабочего тела. Максимальная эффективность отмечается при скорости входного потока, равной 40..50% от скорости звука — такой поток сам по себе создаёт немало шума, а кроме того, требует наличия производительного и мощного компрессора — устройства тоже отнюдь не тихого и довольно капризного.

Отсутствие общепризнанной теории этого явления, пригодной для практического инженерного использования, делает конструирование таких агрегатов занятием во многом эмпирическим, где результат сильно зависит от удачи: «угадал — не угадал». Более-менее надёжный результат даёт только воспроизведение уже созданных удачных образцов, а результаты попыток существенного изменения тех или иных параметров не всегда предсказуемы и иногда выглядят парадоксальными.

Использование вихревых тепловых насосов

Тем не менее, в настоящее время использование таких устройств расширяется. Они оправданы в первую очередь там, где уже есть газ под давлением, а также на различных пожаро- и взрывоопасных производствах — ведь подать в опасную зону поток воздуха под давлением зачастую гораздо безопаснее и дешевле, чем тянуть туда защищённую электропроводку и ставить электродвигатели в специальном исполнении.

Пределы эффективности тепловых насосов

Почему при всех своих достоинствах тепловые насосы до сих пор не получили широкого распространения для обогрева (пожалуй, единственный относительно распространённый класс таких устройств — это кондиционеры с инверторным режимом)? Причин этому несколько, и помимо субъективных, связанных с отсутствием традиций обогрева с помощью этой техники, есть и объективные, главные среди которых — обмерзание теплоотборника и относительно узкий диапазон температур для эффективной работы.

В вихревых (прежде всего газовых) установках проблем переохлаждения и обмерзания обычно нет. Они не используют изменение агрегатного состояния рабочего тела, а мощный поток воздуха выполняет функции системы «No Frost». Однако эффективность их намного меньше, чем у испарительных тепловых насосов, а большая шумность делает их применение в бытовых целях весьма некомфортным.

Переохлаждение

В испарительных тепловых насосах высокая эффективность обеспечивается за счёт изменения агрегатного состояния рабочего тела — перехода из жидкости в газ и обратно. Соответственно, этот процесс возможен в относительно узком интервале температур. При слишком высоких температурах рабочее тело всегда останется газообразным, а при слишком низких — будет испаряться с большим трудом или вообще замёрзнет. В результате при выходе температуры за рамки оптимального диапазона наиболее энергоэффективный фазовый переход становится затруднённым или вовсе исключается из рабочего цикла, и КПД компрессионной установки существенно падает, а если хладагент останется постоянно жидким, то она вообще работать не будет.

Обмерзание

Отбор тепла из воздуха

Даже если температуры всех блоков теплового насоса остаются в нужных рамках, во время работы блок для отбора тепла — испаритель — всегда покрывается каплями влаги, конденсирующимися из окружающего воздуха. Но жидкая вода стекает с него сама по себе и практически не препятствует теплообмену. Когда же температура испарителя становится слишком низкой, капли конденсата замерзают, а вновь конденсирующаяся влага сразу превращается в иней, который так и остаётся на испарителе, постепенно образуя толстую снеговую «шубу» — именно это происходит в морозилке обычного холодильника. В результате эффективность теплообмена существенно снижается, и тогда приходится останавливать работу и оттаивать испаритель. Как правило, в испарителе холодильника температура понижается на 25..50°С, а в кондиционерах в связи с их спецификой температурный перепад поменьше — 10..15°С. Зная это, становится понятно, почему большинство кондиционеров не удастся настроить на температуру ниже +13..+17°С — этот порог установлен их конструкторами во избежание обледенения испарителя, ведь режим его оттаивания обычно не предусматривается. Это же является одной из причин, по которой практически все кондиционеры с инверторным режимом не работают даже при не очень больших отрицательных температурах — лишь в самое последнее время стали появляться модели, рассчитанные на работу при морозах до –25°C. В большинстве случаев уже при –5..–10°C затраты энергии на оттаивание становятся сравнимы с количеством закачанной с улицы теплоты, и перекачка тепла с улицы оказывается неэффективной, особенно если влажность наружного воздуха близка к 100%, — тогда внешний теплоотборник покрывается инеем и льдом особенно быстро.

Отбор тепла из грунта и воды

В связи с этим в качестве незамерзающего источника «холодного тепла» для тепловых насосов в последнее время всё шире рассматривается тепло из земных глубин. При этом имеются в виду отнюдь не разогретые слои земной коры, находящиеся на многокилометровой глубине, и даже не геотермальные водные источники (хотя, если повезёт и они окажутся рядом, было бы глупо пренебречь таким подарком судьбы). Имеется в виду «обычное» тепло слоёв грунта, расположенных на глубине от 10 до 50 метров. Как известно, в средней полосе грунт на таких глубинах имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Таким образом, перепад температур между комфортной +25°С и грунтом вокруг теплоотборника весьма стабилен и не превышает 20°С независимо от мороза за окном (следует отметить, что обычно температура на выходе теплового насоса составляет +50..+60°С, но и перепад температур в 50°С вполне по силам для тепловых насосов, включая современные бытовые холодильники, спокойно обеспечивающие в морозильной камере –18°С при температуре в комнате выше +30°С).

Тем не менее, если закопать один компактный, но мощный теплообменник, вряд ли удастся достичь желаемого эффекта. По сути теплоотборник в этом случае выступает в роли испарителя морозильной камеры, и если в месте, где он размещён, нет мощного притока тепла (геотермального источника или подземной реки), он быстро заморозит окружающий грунт, на чём вся откачка тепла и закончится. Решением может быть отбор тепла не из одной точки, а равномерно с большого подземного объёма, — ведь сам по себе приток тепла из недр Земли очень мал и оценивается мизерной величиной порядка 20 Вт/м², так что даже при полном извлечении всего поступающего глубинного тепла с каждой сотки на постоянной основе можно ожидать не более 2 кВт (в реальности, конечно, гораздо меньше). Поскольку создать на глубине частую сеть теплоотбора технически крайне трудно, можно компенсировать более редкое размещение теплообменников в плоскости их большой высотой. Однако стоимость строительства теплоотборника, охватывающего на немалой глубине тысячи кубометров грунта, скорее всего сделает это решение абсолютно невыгодным экономически. Менее затратный вариант — бурение нескольких скважин с интервалом в несколько метров друг от друга (бóльшие промежутки между теплообменниками не позволят собрать всё поступающее тепло). Так это было сделано в экспериментальном подмосковном «активном доме», но и это недёшево — каждый, кто делал у себя скважину для воды, может самостоятельно прикинуть затраты на создание геотермального поля хотя бы из десятка 30-метровых скважин. Кроме того, постоянный отбор тепла, хоть и менее сильный, чем в случае компактного теплообменника, всё равно снизит температуру грунта вокруг теплоотборников по сравнению с исходной. Это приведёт к уменьшению эффективности работы теплового насоса при его длительной эксплуатации, причём период стабилизации температуры на новом уровне может занять несколько лет, в течение которых условия извлечения тепла будут ухудшаться. Впрочем, можно попытаться частично компенсировать зимние потери тепла его усиленной закачкой на глубину в летнюю жару. Но даже не учитывая дополнительные затраты энергии на эту процедуру, польза от неё будет не слишком большой — теплоёмкость грунтового теплоаккумулятора разумных размеров весьма ограничена, и на всю русскую зиму её явно не хватит, хотя такой запас тепла всё же лучше, чем ничего. К тому же в данном случае очень большое, а точнее — определяющее значение имеет уровень, объём и скорость течения грунтовых вод, поскольку обильно увлажнённый грунт с достаточно высокой скоростью течения воды не позволит сделать «запасы на зиму» — протекающая вода унесёт закачанное тепло с собой (даже мизерное перемещение грунтовых вод всего на 1 метр в сутки, за неделю снесёт запасённое тепло в сторону на 7 метров, и оно окажется вне рабочей зоны теплообменника). Правда, то же течение грунтовых вод будет снижать степень остывания грунта зимой — новые порции воды принесут новое тепло, полученное ими вдали от теплообменника. Поэтому, если рядом есть глубокое озеро, большой пруд или река, никогда не промерзающие до дна, то лучше будет не копать грунт, а поместить относительно компактный теплообменник в водоём — в отличие от неподвижного грунта даже в непроточном пруду или озере конвекция свободной воды способна обеспечить гораздо более эффективный подвод тепла к теплоотборнику со значительного объёма водоёма. Но здесь необходимо убедиться, что теплообменник ни при каких условиях не переохладится до точки замерзания воды и не начнёт намораживать лёд, поскольку разница между конвекционным теплообменом в воде и теплопередачей ледяной шубы огромна (в то же время теплопроводность замёрзшего и незамёрзшего грунта часто отличается не так уж сильно, и попытка использовать огромную теплоту кристаллизации воды в грунтовом теплоотборе при определённых условиях может себя оправдать).

В общем случае грунтовый теплоотбор может иметь смысл даже в зоне вечной мерзлоты, где температура грунта отрицательна, поскольку в большинстве регионов с вечной мерзлотой она редко опускается ниже –5°C, а это вполне приемлемо для тепловых насосов и гораздо «теплее» зимнего воздуха, температура которого в тех местах часто опускается ниже –30°C, а то и –50°C (Якутия). Однако вечная мерзлота принципиально исключает движение грунтовых вод, а это наряду с более низкой температурой грунта требует ещё бóльшего объёма подземных теплообменников по сравнению со средней полосой.

Завершая эту тему, следует заметить, что иногда эффективный грунтовый теплоотбор без геотермального поля можно создать там, где есть колодец или скважина с постоянным большим притоком воды (от кубометра в час и более). В этом случае можно организовать прокачку этой воды через теплообменник. Теоретически с каждого кубометра воды при его охлаждении на 1°C можно получить тепловую мощность до 1.14 кВт. Таким образом, выкачивая 2 кубометра воды в час и охлаждая их на 3°C (воду с исходной температурой 4–5°C сильнее охлаждать нельзя во избежание образования льда), можно получать более 6 кВт на практически постоянной основе без создания громоздкого геотермального поля. Такое количество тепла вполне способно полностью обогреть не слишком большой дом с хорошей теплоизоляцией даже при небольших отрицательных температурах. При этом помимо энергозатрат на привод теплового насоса, придётся потратиться на прокачку воды, но при высоте подъёма в несколько метров современные насосы потребляют всего одну-две десятых киловатт-часа на каждый кубометр перекачанной воды. В данной сутуации роль геотермального поля играют естественные водоносные жилы, обеспечивающие приток колодца или скважины. Проблема в том, что такой приток встречается не так уж часто, да и отработанную воду надо сливать не обратно в колодец, а в дренаж, незамерзающий круглый год и способный отвести подальше от колодца весь выкачанный объём воды (попадание охлаждённой воды обратно в колодец быстро снизит его температуру и всё заморозит).

Разность температур и сверхъединичность тепловых насосов

Любой тепловой насос, работающий на обогрев, представляет собой в некотором роде сверхъединичное устройство. Ведь с точки зрения человека, находящегося в помещении, где установлены все части такого насоса кроме испарителя (теплоотборника), тепла в этом помещении будет больше, чем если подать то же количество электроэнергии на обычные нагреватели с ТЭНами (конвекторы, масляные обогреватели, тепловентиляторы). В самом деле, в обогреваемом помещении в виде тепла останется вся потреблённая электроэнергия, затраченная на приведение в действие частей холодильной установки (нагрев из-за неизбежного трения и пр.), плюс ещё дополнительное тепло, отобранное испарителем за пределами этого помещения и затем перенесённое внутрь.

Однако это не значит, что, использовав полученную разность температур для привода тепловой машины, можно сделать истинно сверхъединичное «самодостаточное» устройство, вырабатывающее энергию в закрытой системе, будучи полностью изолированным от внешней среды. Для научного объяснения этого обычно привлекают понятие эксергии, характеризующей не просто содержание той или иной энергии в некотором объёме вещества, а её «извлекаемость», «утилизируемость» в данной конкретной обстановке, с учётом текущих внешних условий. Весьма подробно и популярно эксергия описана в статье В.М.Бродянского «Энергия: проблема качества» (журнал «Наука и жизнь», №3 за 1982 г.). Здесь же я попытаюсь объяснить это кратко на сходном примере из другой области.

Вспомним гидравлику: электронасос, легко поднимающий кубометр воды за минуту на высоту в 1 метр, закачает гораздо меньше воды за то же время на высоту в 10 м (в те же 10 раз, а если и сможет закачать кубометр, то «сожрёт» во столько же раз больше электричества), а на высоту в 100 м вообще ничего закачать не сможет — слишком высоко. И как одной из важнейших характеристик гидравлического насоса является максимальная высота подъёма накачиваемой жидкости (напор), так тепловые насосы характеризуются максимально возможной разностью температур, создаваемой ими. Разность эта обычно не превышает нескольких десятков градусов, поэтому даже при непрерывной работе теплового насоса получается, что чем ниже будет температура вокруг его «холодного» теплообменника, тем ниже будет и температура «горячего» теплообменника и тем меньше тепла на «горячей» стороне он способен отдать «в комнату» (то есть в окружающую среду неизменной температуры) — таким образом при росте разности температур между «холодной» и «горячей» сторонами теплового насоса его эффективность падает. А вот для тепловых устройств, использующих перепад температур для выполнения полезной механической работы или для прямой выработки электричества, скажем, за счёт термоэлектрического эффекта, эта зависимость обратная — чем выше разность температур, тем эффективнее они работают, причём подавляющему большинству хоть сколько-нибудь эффективных тепловых машин требуется разность температур от сотни до тысячи градусов (аналогия в гидравлике: чем выше имеющийся перепад уровней — напор, — тем большую мощность можно получить от турбины или водяного колеса при тех же прочих параметрах). Поэтому до сих пор терпят неудачу попытки построить «вечный двигатель», соединив тепловой насос и тепловую машину, как и в гидравлике никому не удалось создать устройство, поднимающее всю жидкость на высоту большую, чем её начальный уровень, лишь за счёт её потенциальной гравитационной энергии (вот как поднять выше соответственно меньший объём, существует множество вариантов).

Таким образом, чем больше преодолеваемая разница температур, тем меньше эффективность теплового насоса. То есть с одними и теми же затратами электроэнергии в помещение с температурой +20°С любой тепловой насос сможет закачать с улицы как минимум вдвое больше тепла при уличной температуре +10°С, чем тогда, когда там 0°С (и это если не вмешаются другие неблагоприятные факторы, такие как обледенение испарителя). Кстати, необходимость преодоления слишком большой разности температур для кондиционеров-инверторов часто является наиболее важным фактором, ограничивающим минимальную рабочую температуру наружного воздуха в режиме обогрева. ♦