Тепло из холода

Содержание

Как получить тепло из холода с помощью тепловых труб и капиллярных явлений

Статья из белорусской республиканской газеты «Звязда» в переводе на русский язык.

Представьте многоэтажку, да не просто многоэтажку, а целый небоскреб, который бы отапливался… энергией грунта (геотермальной энергией). И для этого совсем не надо «сажать» такой дом на разломе геологических плит, у жерла вулкана. Горячие батареи и теплые полы на всех этажах за счет энергии земли можно обеспечить и в наших широтах. Главное — знать, как правильно подойти к делу и какую технологию применить. Весь секрет — в тепловых трубах.

Простая физика

Все мы помним из школы о трех физических состояниях воды — твердое, жидкое и газообразное (пар). Знаем, что при нагревании жидкость становится газом, а тот, когда остывает, конденсируется в жидкость. На этом простом эффекте и основан принцип действия тепловой трубы. Внутри закрытой трубки из сверхпроводящего металла (например, меди) находится жидкость, которая легко выпаривается. Один конец трубки нагревается. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость выпаривается на горячем боку трубки, поглощая тепло выпаривания, и конденсируется на холодной, после чего стекает на горячую сторону.

Если трубка полая, то сконденсированная жидкость возвращается в зону испарения под воздействием силы тяжести (такая трубка будет работать только в вертикальном или близком к нему состоянии). Внутри современных тепловых трубок находится наполнитель. Такие трубки работают практически в любом положении, так как для возвращения жидкости в зону испарения используются капиллярные силы (такой же капиллярный эффект можно увидеть, если положить губку в лужу, — вода наполнит поры губки).

Основной принцип действия тепловых труб, основанный на использовании гравитации, был изобретен еще в век пара. Современные концепции, которые базируются на использовании капиллярного эффекта, были предложены Р. С. Гауглером из General Motors в 1942 году. Позже он запатентовал эту идею. Независимо от него преимущества капиллярных систем были продемонстрированы Джорджем Гровером из Los Alamos National Laboratory в 1963-м.

Сегодня над совершенствованием тепловых труб работают ученые всего мира. Круг применения этой технологии исключительно широкий — от космических аппаратов до холодильников. Свой значительный вклад в развитие этого научного направления внесли и белорусы. Про наиболее интересные и перспективные отечественные разработки наш корреспондент побеседовал с основателем научной школы в области тепловых труб в нашей стране, заведующим лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена имени Лыкова НАН Беларуси, лауреатом Госпремии и премии Совета Министров СССР, президентом ассоциации стран СНГ «Тепловые трубы», владельцем престижной международной награды — золотой медали Гровера — профессором Леонардом Васильевым.

Система термобезопасности

— Если говорить упрощенно, тепловая труба — это аналог сверхпроводника электричества, по которому электроэнергия передается без потерь на расстояние, — пояснил Леонард Леонидович. — Здесь мы имеем дело с тепловым сверхпроводником, который без потерь передает на расстояние (причем довольно значительное — в сотни метров) тепловую энергию.

Сейчас в мире активно разрабатываются проекты с применением тепловых труб, которые позволяют эффективно использовать энергию альтернативных и возобновляемых источников энергии, в частности, грунта. Уже осуществляются конкретные работы по передаче тепловой энергии из глубин земли на поверхность для того, чтобы обогревать многоэтажные здания за счет геотермальной энергии.

В общем, с помощью тепловых труб мы можем охлаждать, нагревать и регулировать температуру в пределах необходимой. И все это может осуществляться в самом широком температурном диапазоне. Такие сверхпроводники тепла могут использоваться как при температурах, близких к абсолютному нулю (в таких тепловых трубках применяются сверхтекучий гелий, жидкий водород), так и при высоких температурах (тогда наполнителями становятся щелочные металлы — натрий, калий). Температурный диапазон составляет 1000 градусов.

Наиболее дешевый и доступный наполнитель — вода. Именно она применяется во всех теплообменных устройствах, используемых для нашего комфорта (например, в системах отопления помещений), в технологических процессах (таких как сушка, термообработка пищевых продуктов) и т.д.

По словам ученого, тепловые трубы абсолютно вне конкуренции, когда речь идет об охлаждении электроники, в первую очередь компьютеров: подавляющее большинство ПК имеет систему охлаждения на тепловых трубах. То же касается и космических аппаратов: практически все искусственные спутники Земли имеют систему теплорегулирования на тепловых трубах.

— Электроника не любит высоких температур, — рассказал профессор. — Допустим диапазон нагрева электронных приборов составляет 100-120 градусов, поэтому очень важно гарантировать отсутствие перегрева и выхода электроники из строя. Что и делают тепловые трубы, создавая своеобразную «систему термобезопасности».

Для большей наглядности Леонард Леонидович демонстрирует различные образцы тепловых труб. Вот алюминиевая труба для космических аппаратов, которая охлаждает электронику. На одном ее конце крепится электроника, а второй контактирует с радиатором, через который излишки тепловой энергии «выбрасываются» в космос. Изнутри труба имеет капиллярную структуру — бороздки, которые заполняются жидким аммиаком или пропиленом. А вот тепловая труба для использования в компьютере — гораздо меньших размеров, медная, с никелевым напылением. В общем, по конструкции тепловые трубы могут быть самыми разными. Сегодня существует несколько десятков вариантов.

«Ледяные дороги» и не только

За годы работы сотрудники лаборатории пористых сред под руководством профессора Васильева разработали и внедрили в народное хозяйство десятки новых конструкций тепловых труб, испарителей, конденсаторов и устройств для их применения, основными из которых можно назвать тепловые трубы для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, литейных форм, аккумуляторов электричества, шахтных, защищенных от взрыва трансформаторов; термопластификаторов деталей машин и медицинских вращающихся приборов; тепловые трубы для работы в зоне вечной мерзлоты, в теплицах при намерзании ледяных опор в шахтах и т.д. Получили около 300 авторских свидетельств СССР на изобретения, 12 зарубежных патентов, 6 патентов Республики Беларусь.

Леонард Леонидович листает большой фотоальбом, где размещены фотографии разработок лаборатории за разные годы. Вот, например, удивительное фото: длинные тепловые трубы, наполовину закопанные в болото. Вокруг — пустота. Зачем они там? Оказалось, это «ледяные дороги» (тепловые трубы, которые использовались в Сибири для замораживания болот, чтобы по ним можно было проехать тягачам; зимой трубы отводили тепло грунта, и болото замерзало).

Вот еще одно интересное применение тепловых труб — на железнодорожных «стрелках». Зимой на стрелочных переводах может появиться наледь, образуется риск плохого смыкания, что может обернуться аварией. А если под стрелку подвести тепловую трубу в несколько метров и закопать ее в землю, то благодаря теплу земли можно обеспечить подогрев стрелки и избежать обледенения. Обходчику не нужно раз за разом долбить лед. Просто и эффективно.

Активные и пассивные

— В последнее время в научном мире много разговоров ведется про нанотехнологии. В частности, об использовании в тепловых трубах наножидкостей (жидкостей с исключительно малыми размерами частиц), — рассказывает заведующий лабораторией. — В тепловой трубе каким-то образом нужно создать капиллярную структуру. Если мы применим наножидкость, то сможем создать наиболее оптимальный пористый рельеф на внутренней поверхности трубы. Тогда тепловой обмен будет максимально эффективным.

Это очень полезно для медицины: с помощью микрошунтов можно будет понижать или повышать температуру человеческого тела, проводить бескровные операции, воздействовать на энергоактивные точки тела (локально нагревать или охлаждать).

Замечу, что мы только приходим к использованию искусственно созданных микротепловых труб, а в природе они существуют в естественном состоянии (система терморегулирования скота и человека осуществляется по принципу микротепловых труб).

Еще одно интересное направление, которое вспомнил профессор, — сорбционные тепловые трубы, где помимо обычного капиллярного фитиля есть еще и сорбент — пористое вещество, позволяющее связывать молекулы пара в твердом состоянии. В такой трубе работает несколько сил: капиллярные и сорбционные, соответственно получается двойной тепловой эффект.

— Можно передавать вдвое большую энергию, чем в обычных тепловых трубах, — добавил Леонард Васильев. — Кроме того, это уже тепловые трубы активного терморегулирования, в отличие от обычных — с пассивным терморегулированием. Появляется возможность активно использовать тепло для получения холода (например, в космических аппаратах).

Короче говоря, разработок много. Дело — за внедрением. Нужны инвестиции, которые бы дали возможность внедрять на наших предприятиях новые технологии и оборудование. А научный потенциал у нас, слава Богу, есть.

Зима больше не страшна — тепло будет получаться из холода

Исследователи из Института катализа Сибирского отделения РАН предложили в условиях низкой температуры поглощать пары метанола пористым материалом-адсорбентом. Для того, чтобы из холода получить тепло. Напомним, что адсорбция – процесс поглощения веществ из раствора или газовой смеси другим веществом – тем самым адсорбентом.

Задача получить тепло из чего-нибудь нового

Сначала учёные поставили перед собою задачу узнать, может ли какой-то новый термодинамический цикл обеспечить достаточную эффективность и мощность генерации теплоты.

Чтобы ответить на этот вопрос, они сконструировали установку, названную по имени цикла «Тепло – холод» «ТепХол». В ней имитировался холодный воздух и незамерзающая вода. Адсорбент помещали в специальный теплообменник, сделанный из алюминия. Он был изготовлен пористым, чтобы в конечном объёме получить большую площадь поверхности.

В результате при поглощении метанола адсорбентом выделялось тепло. А что такое метанол? Это тот самый смертельный для здоровья «древесный спирт», который сегодня промышленным образом получают из оксида углерода (то есть угарного газа) и водорода (которого полно просто в воде).

Первые результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.

«Идея была в том, чтобы синтезировать реальный материал со свойствами близкими к идеальному, — приводит сообщившая об этом опыте пресс-служба РНФ слова одного из его участников Юрия Аристова. — Рабочим веществом являются пары метанола, и обычно их адсорбируют с помощью активированных углей».

«Вначале мы взяли коммерчески доступные активированные угли и использовали их, — рассказал этот учёный-химик, доктор химических наук. — Оказалось, что большинство из них «работают» не очень хорошо, поэтому мы решили сами синтезировать новые адсорбенты метанола, специализированные для цикла «ТепХол». Это двухкомпонентные материалы: в них есть пористая матрица, относительно инертный компонент, и активный компонент – соль, хорошо поглощающая метанол».

На данный момент учёные синтезировали четыре новых сорбента, которые находятся в стадии испытаний. По словам авторов исследований, первые результаты этих испытаний «очень обнадёживают».

Задача получить тепло из чего-нибудь наличного

Далее учёные провели термодинамический анализ цикла «ТепХол», чтобы определить оптимальные границы для реализации адсорбции. Оказалось, что температурные условия сибирской зимы для этого вполне подходят.

«Используя зимой два природных термостата (резервуара тепла), например, окружающий воздух (минус 20 – минус 40оС) и незамерзающую воду из реки, озера, моря или грунтовые воды (0 — 20оС), с разницей температур 30 — 60°C, можно получить теплоту для обогрева домов, — заявил Аристов. — Причём чем холоднее на улице, тем легче получить полезное тепло!»

Таким образом, заключил учёный, предложенный способ позволяет получить тепло непосредственно на месте в регионах с холодной зимой (северо-восток России, север Европы, США и Канада, а также Арктика).

В свою очередь это будет способствовать существенному ускорению социально-экономического развития северных регионов. Ведь запуск в систему обогрева, по сути, холода их окружающей среды способно заметно снизить количество используемого в современной энергетике топлива. А значит, привести к изменению её структуры – то есть уменьшению зависимости людей и их промышленности от органического топлива.

В перспективе ту же разработку можно будет применять и для рационального использования пользования низкотемпературных тепловых отходов промышленности. Например, вода, которую сбрасывают тепловые и прочие электростанции, газы, которые являются побочным продуктом химического и нефтеперерабатывающего производства. Аналогично – в транспорте и в жилищно-коммунальном хозяйстве. И так далее.

В общем, маленькая такая революция в энергетике…

Способная перерасти в большую.

Абсорбционные холодильные машины. Трансформация тепла в холод

В прошлых статьях мы поднимали тему утилизации низкопотенциального тепла в промышленном секторе с помощью теплонасосных установок и абсорбционных тепловых машин (АБТМ) в режиме работы тепловых насосов в частности. Такие установки могут использоваться в режиме холодильной машины (АБХМ), обеспечивая охлаждение жидких сред до 5°С, независимо от температуры окружающей среды.

Сегодня предлагаем вам несколько подробнее ознакомиться с технологией и областями ее применения

Из истории вопроса

Первые абсорбционные холодильные машины, разработанные в XIX веке, использовали в качестве абсорбента серную кислоту. Уже в XX веке сам Альберт Эйнштейн приложил руку к созданию одного из таких аппаратов. Но пионером в этой области все же стал французский инженер Фердинанд Филипп Карре (1824–1900). В 1850 году он со своим братом Эдмондом изобрёл абсорбционную холодильную машину, работавшую на смеси воды и концентрированной серной кислоты. Усовершенствованная модель этой машины была запатентована им во Франции в 1859 году, а через несколько лет он представил холодильную машину, работающую на аммиачном цикле.

В наше время в качестве абсорбента наибольшее распространение получил водный раствор бромида лития (LiBr), применяемый в абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах (АБХМ). Аммиак (NH3) как рабочая среда используется и по сей день в водоаммиачных холодильных машинах (АВХМ), но, поскольку аммиак — взрывопожароопасное сильнодействующее ядовитое вещество, его применение строго регламентируется соответствующими правилами безопасности (ПБ 09-595-03 и т.п.). При этом промышленный объект (участок или площадка), где используется АВХМ, с большой долей вероятности должен иметь статус химически опасного объекта, что сопряжено с дополнительными трудностями для эксплуатирующей организации (вплоть до получения соответствующей лицензии).

Абсорбционные холодильные машины используют двухкомпонентный раствор хладагента и абсорбента. Примечательно, что бромид лития и аммиак в соответствующих типах холодильных машин (ХМ) играют разные роли. Бромид лития играет роль абсорбента, а в цикле АБХМ нагревается и испаряется хладагент — вода. В цикле АВХМ вода используется уже в роли абсорбента, а хладагентом же выступает аммиак. Собственно, физика этих процессов и обуславливает возможность цикла с бромидом лития охлаждать рабочую среду до температуры не ниже 5°С., в то время как на водоаммиачных холодильных машинах можно получить более глубокий порог охлаждения.

Не следует путать абсорбцию и адсорбцию*. Мы рассматриваем именно абсорбционные холодильные машины, хотя отдельные производители предлагают и адсорбционные установки (в них в качестве хладагента используется вода, а в качестве адсорбента — твердый гигроскопичный силикагель).

Как работает АБХМ?

Абсорбционная холодильная машина — пароконденсационная холодильная установка. Для простоты и однозначности толкования всех терминов рассматриваем одноступенчатую АБХМ (абсорбционную бромисто-литиевую холодильную машину). Сам принцип ее работы основан на способности хладагента (воды) испаряться за счет его поглощения (абсорбции) абсорбентом (бромидом лития). Процесс испарения — эндотермическая реакция — происходит в условиях вакуума с поглощением теплоты, подведенной к Испарителю с охлаждаемой водой (см. рис.1). Концентрированный раствор абсорбента, подающийся в Абсорбер, поглощает пары воды, превращаясь в слабый (разбавленный) раствор. При последующем его нагреве (от внешнего источника тепловой энергии — греющей среды) в Генераторе пары воды выделяются из абсорбента, поступая в Конденсатор, где конденсируются, превращаясь в воду, которая, расширяясь, поступает в Испаритель, тем самым замыкая цикл. Изменение концентрации хладагента в Абсорбере и Генераторе сопровождается изменением температуры насыщения. Для снижения потерь энергии при циркуляции абсорбента между Абсорбером и Генератором устанавливается рекуперативный теплообменник. Для обеспечения работы АБХМ необходимо присутствие еще одного контура — контура охлаждающей воды, предназначенного для отведения от АБХМ низкопотенциальной, «отработанной» тепловой энергии.

Все процессы в АБХМ протекают под вакуумом, что исключает попадание рабочего вещества и абсорбента во внешние теплоносители.

Классификация АБХМ

В описанной выше схеме охлаждаемая вода — это именно та среда, которую требуется охладить, а греющая среда — это внешний источник тепловой энергии, в качестве которого может использоваться пар (как низкопотенциальный, так и высокопотенциальный), вода различных параметров, горячие дымовые газы котлов, печей или выхлопные газы генераторных установок, а также непосредственно теплота сгорания топлива в самом контуре АБХМ (АБХМ прямого нагрева).

Такая вариативность возможных источников тепла как раз и определяет главную линию классификации, которой придерживаются все современные производители АБХМ:

  • АБХМ нагрева горячей водой (hotwater-fredchiller), использующая в качестве источника тепла горячую воду (от 75°С.и выше);
  • АБХМ парового нагрева (steam-fredchiller), использующая в качестве источника тепла пар (75-200°С.);
  • АБХМ нагрева уходящими газами (exhaust-fredchiller), использующая в качестве источника тепла дымовые газы котлов, печей или выхлопные газы генераторных установок (250-600°С.);
  • АБХМ прямого нагрева (direct-fredchiller), использующая в качестве источника тепла топливо (природный газ, мазут, дизельное топливо).

Таким образом, АБХМ — это холодильная установка, работающая за счет тепловой энергии, а не электричества. Единственные потребители электроэнергии в АБХМ — перекачивающие насосы. Они же являются и единственными движущимися механизмами в составе ХМ.

Эффективность и критерии выбора

Эффективность АБХМ характеризуется холодильным коэффициентом СОР (coefcient of performance), т.е. отношением холодопроизводительности машины к потребляемой тепловой мощности.

Для одноступенчатых АБХМ коэффициент СОР составляет 0,6-0,8. Идеальная одноступенчатая АБХМ могла бы обеспечить холодильный эффект, равный количеству тепловой энергии, подведенной к ней (т.е. СОР=1,0), однако, из-за термодинамических потерь в реальных установках холодильный эффект всегда будет меньше затрат тепловой энергии. Поскольку холодильный коэффициент установок такого типа всегда меньше единицы, одноступенчатые АБХМ целесообразно использовать в случаях, когда есть возможность утилизации тепловой энергии (например, сбросного тепла производств).

В сравнении с одноступенчатыми АБХМ более высокой эффективностью обладают двухступенчатые модели, первый образец которых был разработан в 50-х годах ХХ века. В этих установках, в отличие от одноступенчатых холодильных машин, используется два конденсатора или два абсорбера с тем, чтобы обеспечить более эффективное выделение хладагента из абсорбента при меньших затратах тепловой энергии. В таких машинах коэффициент СОР достигает значения 1,4. В качестве источника тепловой энергии в машинах этого типа может использоваться перегретый пар высокого давления либо различные виды горючего топлива. Двухступенчатые АБХМ целесообразно использовать в тех случаях, когда стоимость электрической энергии высока относительно стоимости топлива. Кроме того, двухступенчатые АБХМ могут применяться в случаях, когда есть источник перегретого пара высокого давления. Их эффективность выше, но при этом они отличаются и более высокой стоимостью по сравнению с одноступенчатыми машинами, что обуславливается в том числе применением дорогостоящих материалов высокой коррозионной стойкости (из-за более высоких рабочих температур в цикле), большей площадью поверхности теплообмена, более сложной системой управления.

Следующий этап развития АБХМ — трехступенчатые абсорбционные холодильные машины. Их холодильный коэффициент СОР заявлен на уровне 1,8. Несмотря на то, что изобретение таких аппаратов пришлось на 80-е годы прошлого столетия, а первая трехступенчатая АБХМ была запатентована еще в 1985 году, аппараты такого класса до сих пор не производятся серийно (несмотря на наличие амбициозных заявлений отдельных производителей), а их назначенный ресурс не подтвержден опытно. Связано это по большей части с уже упомянутой проблемой применения в конструкции установок материалов, стойких к процессам коррозии, происходящим внутри аппаратов при высоких рабочих температурах, которые в трехступенчатых АБХМ еще выше, чем в двухступенчатых. Стоимость таких АБХМ значительна, поэтому экономическая целесообразность их применения должна определяться индивидуально в зависимости от особенностей конкретного объекта.

Воздействие на окружающую среду

Поскольку в АБХМ хладагентом является вода, то они практически не оказывают влияния на озоновый слой атмосферы и развитие так называемого парникового эффекта.

Выбросы (эмиссия) от абсорбционных холодильных машин зависят от условий их применения. Если холодильная машина интегрирована в когенерационную систему и питается тепловой энергией из этой системы, то такая ХМ никакого негативного накапливающегося эффекта для окружающей среды не имеет. Если же рассматривать отдельно взятую АБХМ прямого нагрева, то здесь определяющими факторами будут тип используемого топлива для получения тепловой энергии и применяемая технология сжигания. Природный газ как достаточно дешевый и чистый вид топлива получил наибольшее распространение в АБХМ прямого нагрева. Тем не менее, меры безопасности, касающиеся выбросов вредных газов (оксидов азота в частности), в подобных ХМ должны соблюдаться, а контроль должен проводиться в соответствии с действующими нормативами и регламентами.

В какой бы отрасли промышленности и в какой бы сфере не рассматривался вопрос о применении АБХМ, ключевым фактором всегда будет являться экономическая сторона. Несмотря на специфику задач и технологий различных отраслей, где сегодня находят применение АБХМ (а это металлургия, нефтехимия, энергетика, машиностроение, электроника, пищевая промышленность), ответ на вопрос об экономической целесообразности использования АБХМ везде определяется одинаково. Если на предприятии есть бросовые источники тепла (горячая вода, пар, дымовые и выхлопные газы), которые при ином раскладе доставляют только проблемы, эффект от внедрения холодильных машин ощутим и благоприятно влияет на производство в целом.

Принцип действия теплового насоса

Самый древний и традиционный способ получения тепла – сжигание топлива – был известен еще древнему человеку с момента, как он открыл для себя огонь. Этот метод и поныне является, чуть ли не единственным вариантом отопления. Причем за всю историю человеческой цивилизации он не претерпел существенных изменений. Расширился лишь ассортимент сжигаемого топлива, а сам процесс стал более совершенным, основанным на новейших разработках в этой области. В последнее время наука закономерно занялась вопросом, как получить отопление без топлива,и какие альтернативные источники обогрева можно использовать.

Связано это с тем, что данный тип получения тепла влечет за собой ряд проблем, которые отодвигаются на второй план на фоне неуклонного подорожания существующих источников тепловой энергии. В первую очередь, это разрушительное воздействие на экологию и, как следствие, на здоровье человека. А также возрастание потенциальной опасности экологической катастрофы мирового масштаба, когда существование людей на планете станет невозможным.

Второй момент заключается в том, что запасы используемого топлива рано или поздно закончатся. Эти две причины и вынудили ученых искать альтернативные варианты обогрева. Одним из результатов подобных изысканий, получившим уже мировое практическое применение, стало появление тепловых насосов.

Устройство и принцип действия

Работа любого устройства основана на использовании законов физики. Так и принцип действия теплового насоса базируется на свойствах газов и жидкостей, а также на принципах термодинамики этих сред. При испарении – переходе жидкости в газообразное состояние – энергия, или тепло поглощается. При конденсации – переходе газообразных веществ в жидкое состояние – наоборот, выделяется. Наиболее интенсивно процесс испарения происходит при температуре кипения и близкой к этой отметке. В нормальных условиях вода закипает при 1000С.

Однако есть вещества, закипающие при гораздо более низких температурах. Например, небезызвестный фреон начинает кипеть при +30С, что значительно ниже комнатной температуры. Это значит, что при +30С он превращается из жидкости в газ, который легко подвергнуть сжатию (проще, чем жидкость) – то есть увеличить его давление в замкнутой системе, что, согласно законам термодинамики, приведет к росту температуры.

Сжать газообразный фреон теоретически можно до получения любой высокой температуры. На практике же больший интерес представляет нагрев до значений традиционных систем отопления, например до +800С, что вполне возможно. На использовании этих важных процессов и свойств построена работа тепловых насосов.

В земной толще на определенной глубине температура всегда постоянна, независимо от времени года и других обстоятельств, и равна +80С. Проложенные в этих слоях коллекторы из труб с циркулирующей по ним незамерзающей жидкостью забирают тепло земли. Через теплообменник эта жидкость нагревает фреон, перемещающийся по контуру теплового насоса.

При температуре +80С фреон, естественно, трансформируется в газообразное состояние. Этот газ сжимают компрессором для нагревания до температуры 800С. Он отдает это тепло системе отопления через другой теплообменник и с гораздо меньшей температурой, но с прежним высоким давлением поступает в дроссель, где его давление резко снижают. Вследствие этого температура также быстро понижается до значений перехода фреона обратно в жидкое состояние. Он снова отправляется в теплообменник для получения тепла земли, замыкая тем самым цикл.

В данном случае земля является так называемым источником температуры низкого уровня. К ним также относятся вода водоемов, подземные воды и даже воздух, так как у всех них своя определенная температура. Общеизвестно, что примерно 70% поверхности земли занято водой, что означает наличие у человека колоссальных запасов тепловой энергии, подаренных природой. Назначение насоса — преобразование теплоты этих источников в тепло высокого уровня — 70–800С.

Теорию применяемого в тепловом насосе процесса впервые описал французский ученый Карно в 1824 г. Процесс назвали «цикл Карно». В 1852 г. британец Уильям Томсон, основываясь на этой теории, разработал первый тепловой насос, получивший известность как «умножитель тепла». А в 1855 г. австрийский инженер Петер Риттер фон Риттингер спроектировал первый тепловой насос и испытал его.

С этой технологией мы ежедневно сталкиваемся в повседневной жизни, так как она используется в ставших обычными для нас холодильниках. В испарителе – холодильной камере этого устройства — забирается тепло продуктов, и они охлаждаются. Хладагент (фреон) переносит и рассеивает полученное тепло через радиатор в атмосферу. Потребляемая холодильником электроэнергия расходуется только на перемещение фреона по системе с помощью компрессора.

Типы тепловых насосов

Геотермальный тепловой насос

Источниками низкоуровневого тепла могут быть:

  • вода любых наземных водоемов
  • подземные воды
  • земля
  • воздух

Исходя из этого, а также учитывая вид теплоносителя в системе отопления помещений, определяют тип насоса. Когда источником является земля, а обогрев производится водяной отопительной системой, то тип насоса классифицируют как «грунт-вода».

Аналогично выделяют типы тепловых насосов «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «воздух-воздух» и «вода-воздух». Насосы, использующие земное тепло, называют также геотермальными, а тепло воздуха — воздушными.

Преимущества и недостатки

Достоинства тепловых насосов:

Тепловой насос использование тепла

  • Главное преимущество состоит в том, что не требуется никакого топлива. Мало того, при установке не нужно получать ТУ и другие разрешения.
  • Первичные затраты на систему с тепловым насосом и установку традиционного отопления часто сопоставимы. А эксплуатационные затраты при отоплении этим устройством ниже, чем у всех традиционных систем, кроме магистрального газа. Но рост его стоимости, скорее всего, в ближайшие годы приведет к тому, что и магистральный газ по экономичности будет уступать тепловым насосам.
  • Эффективность — система быстро выходит на проектный режим эксплуатации (максимум полчаса) и прогревает дом. При этом технология получения тепла отличается экологической чистотой, не взрывоопасна и не пожароопасна.
  • Высокая надежность и длительный срок эксплуатации без капитальных ремонтов — до 25 лет. Раз в год необходим лишь недорогой текущий осмотр.
  • Вентиляция для работы насоса не нужна. Система малошумна и малогабаритна, поэтому в случае отсутствия котельной возможна установка на кухне или в другом помещении.
  • Автономность — для работы насосов необходимо только электричество. А при перебоях в электроснабжении возможна работа по запасной схеме — от дизель-генератора. Кроме того,насосы могут использоваться в комплексе с солнечными коллекторами.
  • Летом насос может работать в режиме кондиционера. Он прост в использовании и требует минимум внимания — запрограммированный агрегат работает и поддерживает нужную температуру автоматически.

Недостатки насосов

К недостаткам устройства следует отнести:

  • Высокую стоимость оборудования по сравнению с иными известными видами отопления.
  • Необходимость индивидуальных сложных расчетов для каждого отдельного случая применения.
  • Невозможность использования теплового насоса в отдельно взятой квартире многоквартирного дома.

Цена

Тепловой насос ( вода-вода)

На сегодняшний день цена насосов такова, что является главным фактором, сдерживающим их широкое применение. В нее входит много составляющих, и она различна для каждого отдельного случая.

Для максимальной эффективности отопления необходим тщательный расчет самого насоса. Также требуется исследование источников низкоуровневого тепла — это тоже приличные затраты. Стоимость монтажа значительно увеличивает бурение скважин или закладка коллекторов в землю на большую глубину. Поэтому самые доступные по цене устройства — воздушные, установка которых не требует подобных работ.

Средняя стоимость использования тепловых насосов, по данным разных компаний, находится в пределах от 600 до 1200 евро из расчета на 1кВт необходимой для отопления мощности. По различным производителям стоимость также имеет достаточно широкий диапазон и зависит от конструкции, применяемых материалов, степени автоматизации и ряда других факторов.

Перспективы

У тепловых насосов, несомненно, большое будущее. Мировая практика подтверждает это показателями неуклонного роста количества устанавливаемых ежегодно устройств. Высокая стоимость все же окупается по прошествии нескольких лет эксплуатации, а некоторые европейские страны датируют установку насосов, которые являются источником очень дешевого тепла на десятилетия. В среднем, потребляя 1 кВт электроэнергии для работы, насос вырабатывает 4—5 кВт тепловой энергии.

На сегодняшний день:

  • В Швеции 70% тепла генерируется этими устройствами, и ежегодно устанавливается до 150 тыс. новых. Правительством страны поставлена задача — до 2020 года исключить полностью зависимость государства от газа и нефти и потреблять энергию только возобновляемых источников. Тепловым насосам отведена ведущая роль в этих планах.
  • В Финляндии и Норвегии в год устанавливают до 100 тыс. устройств. В Австрии, Испании, Германии и Англии выделяются государственные дотации на установку насосов — до 3000 евро на одно частное домовладение.
  • В Швейцарии приходится один насос на 2 кв.км территории, а по количеству устройств на 1000 населения страна занимает одно из лидирующих мест в Европе.
  • В США производят ежегодно до 1 млн. устройств (в основном, воздушных, исходя из климата), которые заменяют старую систему отопления или устанавливаются в новых постройках. При возведении новых общественных сооружений используют исключительно тепловые насосы, и это положение закреплено Федеральным законодательством страны.
  • Мировой Энергетический Комитет составил прогноз, согласно которому к 2020 году в наиболее развитых странах снабжение теплом от насосов составит 75%.

Энергетически тепловой насос очень эффективен

Эти цифры показывают, что сегодня на Западе тепловой насос является рядовым прибором быта — как микроволновка или телевизор.

В России внедрение этих устройств сдерживается повсеместным использованием относительно недорогого и доступного газа. Тем не менее, отмечается тенденция роста количества применяемых тепловых насосов. Ведь возобновляемые энергетические источники — это тот потенциал, к которому человеческая цивилизация придет обязательно.

Использование возобновляемых источников энергии обеспечивает не только отопление без применения топлива, но и возможность в перспективе получать электроэнергию, основываясь на тех же принципах преобразования. Запасы этих источников на земле не просто огромны — они бесконечны, потому и названы возобновляемыми. Все они вполне доступны, а их широкое применение сдерживается пока еще высокой стоимостью оборудования для преобразования из-за не достаточного совершенства существующих технологий.

Читайте далее:

Как соорудить и произвести установку теплового насоса своими руками

Тепловой насос – инновационное устройство, относящееся к альтернативным источникам энергии. Извлекая тепло из природных ресурсов вокруг, прибор является экономичным устройством с большой степенью автономности.

Характеристики

На отоплении и водоснабжении частного дома хочется сэкономить большинству рачительных хозяев. Для таких целей подходит тепловой насос.

Его вполне возможно соорудить своими руками, хорошо при этом сэкономив − заводской прибор стоит очень недешево.

Свойства и устройство

Прибор имеет внешний и внутренний контур, по которым движется теплоноситель. Составляющие стандартного прибора: тепловой насос, устройство для забора и устройство для распределения тепла. Контур изнутри состоит из компрессора с питанием от сети, испарителя, дроссельного клапана, конденсатора. Используют также в приборе вентиляторы, систему труб, геотермальные зонды.

Преимущества теплонасоса:

  • не выделяет никаких вредных веществ, абсолютно экологичный;
  • нет затрат на покупку и доставку топлива (электроэнергия затрачивается только на перемещение фреона);
  • нет необходимости дополнительных коммуникаций;
  • абсолютно пожаро — и взрывобезопасный;
  • полноценное отопление зимой и кондиционер летом;
  • сооруженный тепловой насос своими руками – это автономная конструкция, требующая минимум усилий по управлению.

Применение

Теплонасос, собранный своими руками, подойдет для таких случаев:

  • если есть желание сэкономить на топливе для обогрева дома;
  • если к дому невозможно подвести газ или сделать это слишком хлопотно, когда покупать баллонный газ – не выход из ситуации;
  • нет желания и возможностей топить углем, дровами, электричеством, иным топливом;
  • если хозяин дома является приверженцем использования экологически чистой альтернативной энергии. Устройство достаточно практичное даже наряду с наличием возможностей применять другие источники энергии.

Тепловой насос своими руками изготовляется для дома, основываясь на технологиях забора тепла из земли, воды, воздуха. Он используется для отопления, нагрева воды и даже кондиционирования внутри помещения.

Принцип работы

Все окружающее нас пространство есть энергия — нужно только уметь ее использовать. Для теплового насоса нужно, чтобы температура окружающей среды была больше 1С°. Тут следует сказать, что даже земля зимой под снегом или на некоторой глубине сохраняет тепло. Работа геотермального или любого другого теплонасоса основывается на транспортировке тепла от его источника с помощью теплоносителя к контуру отопления дома.

Схема работы прибора по пунктам:

  • носитель тепла (вода, грунт, воздух) наполняет находящийся под грунтом трубопровод и нагревает его;
  • затем теплоноситель транспортируется в теплообменник (испаритель) с последующей передачей тепла на внутренний контур;
  • во внешнем контуре находится хладагент – жидкость с низкой точкой кипения под низким давлением. Например, фреон, вода со спиртом, гликолевая смесь. Внутри испарителя это вещество нагревается и становится газом;
  • газообразный хладагент направляется в компрессор, сжимается под высоким давлением и нагревается;
  • горячий газ попадает в конденсатор и там его тепловая энергия переходит к теплоносителю системы отопления дома;
  • завершается цикл превращением хладагента в жидкость, и она, вследствие потери тепла, возвращается назад в систему.

Тот же принцип используется для холодильников, поэтому тепловые насосы для дома можно применять как кондиционеры для охлаждения помещения. Проще говоря, тепловой насос – это такой холодильник с обратным действием: вместо холода вырабатывается тепло.

Виды

Тепловые насосы своими руками можно сконструировать на основе трех принципов — по источнику энергии, теплоносителю и их комбинации. Источником энергии может быть вода (водоем, река), грунт, воздух. Все виды насосов основаны на одном принципе работы.

Классификация

Выделяют три группы устройств:

  • вода-вода;
  • грунтово-водяные (геотермальные тепловые насосы);
  • используют воду и воздух.

Тепловой коллектор «грунт-вода»

Тепловой насос своими руками — самый распространенный и эффективный способ добычи энергии. На глубине нескольких метров грунт имеет одну постоянную температуру и мало подвержен погодным условиям. На внешнем контуре такого геотермального насоса применяется специальная экологически безопасная жидкость, в народе называемая «рассолом».

Наружный контур геотермального насоса создают из пластиковых труб. Их вкапывают в грунт вертикально или горизонтально. В первом случае на один киловатт может понадобиться достаточно значительная площадь работ – 25–50 м2. Площадь нельзя использовать для посадочных работ — тут допускается только высадка однолетних цветущих растений.

Вертикальный коллектор энергии требует несколько скважин на 50–150 м. Такое устройство более эффективное, тепло передают специальные глубинные зонды.

«Вода-вода»

На большой глубине температура воды постоянная и стабильная. Источником низкопотенциальной энергии может служить открытый водоем, грунтовые воды (колодец, скважина), сточные воды. Принципиальных различий в конструкции для отопления такого типа с разными теплоносителями нет.

Устройство «вода-вода» наименее трудозатратное: достаточно оснастить трубы с носителем тепла грузом и поместить в воду, если это водоем. Для грунтовых вод потребуется более сложная конструкция и может возникнуть нужда в сооружении колодца под сброс воды, проходящей через обменник тепла.

«Воздух-вода»

Такой насос немного уступает двум первым и в холодное время его мощность снижается. Но он более универсальный: для него не нужно копать землю, создавать скважины. Нужно только установить необходимое оборудование, например, на крыше дома. Для этого не требуется сложных монтажных работ.

Основным преимуществом является возможность повторно использовать тепло, покидающее помещение. Зимой рекомендуют иметь еще один источник тепла, поскольку мощность такого обогревателя может значительно уменьшиться.

Этапы монтажа

Тепловой насос своими руками можно сделать полностью из старых запчастей, взятых, например, из нерабочего кондиционера.

Расходы, окупаемость, мощность

Заводской прибор стоит около 4000 евро и выше. Самодельный насос для отопления 100 м² площади окупится приблизительно по прошествии 2-х лет. Для домов с не очень хорошей теплоизоляцией мощность должна быть 75 Вт/м²., с хорошей теплоизоляцией достаточно — 50 Вт/м², а при использовании современных теплоизоляционных материалов — хватит и 30 Вт/м².

Идеальным вариантом будет, когда насос включается в проект для отопления дома с наличием теплого пола и плиточного покрытия.

Процесс создания

Сначала нужно достать компрессор от нерабочего кондиционера, необязательно нового. Дешевле будет приобрести его в мастерских по ремонту холодильников. Компрессор крепится к стене кронштейнами (подойдет L-300).

Для изготовления конденсатора подойдет бак из нержавейки на 100–120 л. Он разрезается пополам, внутри устанавливается змеевик. Змеевик можно изготовить самому из сантехнической медной трубки или от холодильника. Тут нужны толстые стенки – от 1 мм и больше. Трубка наматывается на обычный баллон (газовый, кислородный) с равномерным расстоянием между витками и фиксируется в таком положении перфорированным алюминиевым уголком (им оформляются углы под шпаклевкой). Он приматывается к змеевику, чтобы каждый виток располагался против дырки в уголке.

В результате будет ровный шаг витков и прочность конструкции. После создания змеевика половинки емкости свариваются. Резьбовые соединения также ввариваются. Затем создается испаритель. Для него может подойти обычная пластиковая емкость на 60–80 л. с вмонтированным внутри змеевиком из трубы диаметром ¾ дюйма. Простые трубы для водопровода используют для транспортировки воды.

Испаритель крепится на стене L-кронштейном. А вот закачку фреона должен сделать специалист по холодильному оборудованию: он сварит трубки и закачает в них фреон. После чего конструкцию подключают к системе отопления внутри дома, а затем – к наружному контуру.

Особенности для каждого вида

Вертикальный насос для отопления «грунт-вода» требует создания скважины на 50–150 м. В нее помещаются геотермальные зонды и подключаются к насосу. Зонды берут тепло из грунта, которое переносится с незамерзающей водой к насосу, а оттуда уже в систему отопления. Для маленьких участков подходят зонды, для больших – горизонтальный коллектор.

Для горизонтального аппарата типа «грунт-вода» нужно создать коллектор из системы труб. Его располагают ниже уровня промерзания (1–1,5 м) и выглядит он как своеобразный змеевик под землей. Снимается слой почвы, укладываются трубы и грунт засыпается обратно. Можно уложить трубы в отдельных траншеях.

Для агрегата по типу «вода-вода» собирается из ПНД-труб, которые заполняются носителем тепла и после этого переносятся к водоему. Трубы имеют вид большого змеевика на дне водоема. Желательно разместить их в его центре.

Аппарат типа «воздух-вода» не требует трудоемких земляных работ. Выбирается место около дома или на его крыше, где самодельный тепловой насос соединяется с внутридомовым отоплением. Тепло извлекается вентиляторами и испарителем.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника: чертежи, инструкция и советы по сборке

В последние десятилетия у владельцев домов появился довольно большой выбор систем отопления. Уже необязательно подключаться к централизованным сетям и использовать традиционные источники. Можно выбрать оборудование, работающее на альтернативной энергии, но его главный недостаток – дороговизна. Согласны?

Впрочем, если соорудить тепловой насос своими руками из старого холодильника, систему можно существенно удешевить. А мы расскажем вам как это сделать.

В статье мы подобрали самые простые решения и снабдили их подробными чертежами и схемами. Поэтому для домашнего умельца разобраться в них не составит труда. Кроме того, здесь вы найдете пошаговую инструкцию по изготовлению отопительного оборудования. А размещенные видеоролики расскажут о конструктивных особенностях теплового насоса и особенностях его подключения.

Насколько выгодно использование теплового насоса?

Теоретически у любого человека есть большой выбор источников энергии. Помимо природного газа, электричества, угля, это еще и ветер, солнце, разница температур земли и воздуха, земли и воды.

На практике выбор ограничен, т.к. все упирается в стоимость оборудования и его обслуживания, а также стабильность работы и сроки окупаемости установок.

Каждый из источников энергии имеет как достоинства, так и серьезные недостатки, ограничивающие его использование.

Установка отопительной системы с теплонасосом – это выгодно с точки зрения удобства эксплуатации. Во время работы оборудования нет шума, посторонних запахов, не требуется установка дымоходов или других вспомогательных конструкций.

Система энергозависима, но для работы теплового насоса нужно минимальное количество электричества.

Теплонасос – хорошая альтернатива привычным отопительным системам. Чтобы сократить начальные расходы на оборудование, можно его собрать своими руками

Сами тепловые установки чрезвычайно экономичны и не требуют особых затрат на обслуживание, но их первоначальная стоимость очень высока.

Далеко не каждый владелец дома или дачи может позволить себе покупку такого дорогого оборудования. Если собрать его самостоятельно и использовать детали от старого холодильника, можно существенно сэкономить.

Тепловые насосы промышленного производства дороги. Считается, что их установка окупается в среднем за 5-7 лет работы, однако этот срок зависит от начальной цены конструкции и может быть гораздо большим

Самодельные установки обходятся буквально в копейки, а их использование позволяет заметно экономить.

Единственный нюанс: производительность самоделок невысока, и они не могут быть полноценной заменой традиционным системам отопления. Поэтому их часто используют как дополнительные или альтернативные варианты отопления.

5 основных выгод для владельцев установок

К преимуществам систем обогрева с тепловыми насосами относят такие:

  1. Экономическая эффективность. При затратах 1 кВт электрической энергии можно получить 3-4 кВт тепловой. Это усредненные показатели, т.к. коэффициент преобразования тепла зависит от типа оборудования и особенностей конструкции.
  2. Экологическая безопасность. При работе тепловой установки в окружающую среду не попадают продукты сгорания или другие потенциально опасные вещества. Оборудование озонобезопасно. Его применение позволяет получить тепло без малейшего вреда для экологии.
  3. Универсальность применения. При установке систем отопления, работающих от традиционных источников энергии, владелец дома попадает в зависимость от монополистов. Солнечные батареи и ветрогенераторы не всегда рентабельны. Зато тепловые насосы можно устанавливать где угодно. Главное – правильно выбрать тип системы.
  4. Многофункциональность. В холодное время года установки отапливают дом, а в летнюю жару способны работать в режиме кондиционеров. Оборудование применяют в системах ГВС, подключают к контурам теплых полов.
  5. Безопасность эксплуатации. Теплонасосам не требуется топливо, при их работе не выделяются токсичные вещества, а предельная температура узлов оборудования не превышает 90 градусов. Эти отопительные системы не опаснее холодильников.

Идеальных приборов не существует. Тепловые насосы надежны, долговечны и безопасны, но их стоимость напрямую зависит от мощности.

Качественное оборудование для полноценного обогрева и горячего водоснабжения дома 80 м.кв. обойдется примерно в 8000-10000 евро. Самоделки маломощны, их можно использовать для отопления отдельных комнат или подсобных помещений.

Эффективность установки зависит от теплопотерь дома. Оборудование имеет смысл устанавливать только в тех зданиях, где обеспечен высокий уровень изоляции, а показатели теплопотерь не выше 100 Вт/м.кв.

Теплонасосы способны прослужить 30 лет и более. Особенно рентабельно их применение для ГВС, а также в комбинированных отопительных системах, включающих теплые полы.

Оборудование надежно и редко ломается. Если оно самодельное, то важно подобрать качественный компрессор, лучше всего – от холодильника или кондиционера проверенной марки.

Типы теплонасосов для отопления дома

Различают компрессионные и абсорбционные теплонасосы. Установки первого типа наиболее распространены, и именно такой тепловой насос можно собрать из холодильника или старого кондиционера, использовав готовый компрессор.

Также потребуются расширитель, испаритель, конденсатор. Для работы абсорбционных установок необходим абсорбент-хладон.

Теплонасосы чаще всего собирают из узлов кондиционеров и холодильников. Такие конструкции кустарного производства просты, эффективны, а при наличии у мастера навыков подобной работы их можно сделать буквально за несколько дней

По виду источника тепла установки бывают воздушными, геотермальными, а также использующими вторичное тепло (например, сточных вод и т.п.).

Во входном и выходном контурах используют один или два разных теплоносителя, и в зависимости от этого выделяют такие типы оборудования:

  • воздух-воздух;
  • вода-вода;
  • вода-воздух;
  • воздух-вода;
  • грунт-вода;
  • лед-вода.

Система может быть эффективной только в том случае, если потребляет меньше энергии, чем отдает. Эту разницу называют коэффициентом преобразования. Он зависит от многих факторов, но наиболее значимый – температура теплоносителя входного и выходного контуров. Чем больше разница, тем лучше работает система.

Надежных формул расчета производительности теплонасосов нет, т.к. их работа зависит от многих факторов.

При самостоятельной сборке тепловой установки нельзя ожидать, что она будет настолько же эффективной, как оборудование промышленного производства, но ее вполне хватит для создания экономичной дополнительной системы отопления.

Пошаговая инструкция по изготовлению оборудования

Прежде чем разобраться со способами, как можно сделать тепловой насос из холодильника, следует определиться с источником тепла и схемой работы прибора. Помимо компрессора холодильника потребуются другие узлы. Также придется докупать или арендовать некоторые инструменты.

Такую самоделку можно подключить к теплому полу, системе ГВС или к водяному отоплению, если используются низкотемпературные радиаторы

Даже если придется покупать компрессор и другие узлы, самодельная установка обойдется гораздо дешевле, чем готовое оборудование промышленного изготовления.

Этап #1. Подготовка схемы и чертежа

Источник энергии должен быть расположен под землей. Для установки теплонасоса придется пробурить скважину или хотя бы вырыть траншею на глубину, где температура грунта не бывает ниже 5 градусов. Также можно использовать водоемы естественного или искусственного происхождения.

Предложенная схема подходит для любого источника тепла. Чтобы собрать самоделку, следует адаптировать саму схему к условиям эксплуатации будущего оборудования и разработать чертеж

Независимо от источника тепла конструкции теплонасосов схожи, поэтому подойдет почти любая схема, которую можно найти в сети.

После ее выбора следует подготовить подробные чертежи, где будут указаны точные размеры, расстояния и точки подключения узлов установки.

Чтобы сделать теплонасос, придется разобрать холодильник и извлечь компрессор. Это главный элемент конструкции. Он будет прокачивать воду и фреон по проложенному трубопроводу, обеспечивая работу отопления

Хотя расчеты мощности установки затруднены, можно ориентироваться на средние показатели. Так, для дома с повышенными показателями теплоэффективности нужна система отопления мощностью 25 Вт/м.кв. Это идеальный вариант, если теплопотери минимальны.

Для хорошо утепленного дома этот показатель составляет 45 Вт/м.кв., а для здания с относительно большими теплопотерями – 70 Вт/м.кв.

Этап #2. Подбор необходимых деталей

Компрессор можно снять со старого холодильника. Если он неисправен, лучше купить новый. Не стоит ремонтировать: это нерентабельно, а работоспособность самоделки будет под вопросом.

Для сборки конструкции также потребуется терморегулирующий клапан. Желательно, чтобы все комплектующие были от одной системы и легко совмещались.

Это основная деталь холодильника. Задача узла – перекачивать по трубкам хладагент, который забирает из тепло рабочей части. Для самодельного теплонасоса лучше брать малошумный компрессор

Для монтажа теплонасоса понадобятся 30-сантиметровые L-образные кронштейны.

Также придется докупить некоторые детали:

  • качественную герметичную емкость из нержавеющей стали объемом 120 л;
  • большой пластиковый бак объемом 90 л;
  • 3 медные трубы различных диаметров;
  • полимерные (лучше всего металлопластиковые) трубы.

Для сборки системы потребуется стандартный набор инструментов, а для резки и соединения металлических деталей – болгарка и сварочный аппарат.

Этап #3. Монтаж узлов системы

Компрессор устанавливают на стену с помощью кронштейнов, после чего приступают к изготовлению конденсатора. Для этого металлический бак разрезают болгаркой пополам. В одну часть устанавливают медный змеевик, после чего емкость сваривают и подготавливают в ней резьбовые отверстия.

Теплообменник для теплонасоса практически не отличается от такого же узла, который изготавливают для банной печи. Лучше всего подойдет емкость из нержавеющей стали толщиной 2,5 мм

Для изготовления теплообменника на 120-литровый стальной бак наматывают длинную медную трубу, закрепляя концы витков рейками. К выводам подсоединяют сантехнические переходы.

На пластиковый бак тоже крепят змеевик и используют в качестве испарителя. Он не перегревается, поэтому необязательно брать металлическую емкость. Готовый испаритель крепят к стене с помощью кронштейнов.

При выборе компрессора и испарителя следует делать расчет мощности с запасом 20%, иначе мощность готовой отопительной системы будет ниже желаемой

Когда основные узлы подготовлены, подбирают подходящий терморегулирующий клапан, собирают конструкцию и закачивают в систему фреон марки R-22 или R-422. Если нет соответствующих навыков, имеет смысл пригласить специалиста, т.к. процедура небезопасна.

Этап #4. Подключение к заборному устройству

Тип заборного устройства и особенности подключения к нему теплонасоса зависят от схемы:

  • «Вода-земля». Коллектор устанавливают ниже уровня промерзания почвы. Трубы системы должны располагаться на той же глубине.
  • «Вода-воздух». Системы этого типа монтировать относительно просто, т.к. не требуются земляные работы. Для установки коллектора подойдет удобное место возле дома или на крыше.
  • «Вода-вода». Конструкцию коллектора собирают из полимерных труб, а затем опускают в центр водоема.

Возможна установка комбинированной (бивалентной) отопительной системы. В этом случае теплонасос подключают параллельно с электрическим котлом. Он выполняет функцию дополнительного отопления.

Установка бивалентной отопительной системы позволяет добиться оптимальной температуры в доме даже при сильных морозах, а ее энергопотребление будет минимальным.

В процессе сборки, монтажа и подключения теплового насоса нужно внимательно следить за качеством сварных швов, стыков и соединений. Система должна быть абсолютно герметичной

Выводы и полезное видео по теме

У нас тепловые насосы пока еще не особенно распространены, однако уже можно найти умельцев, способных поделиться опытом самостоятельного изготовления подобных систем. Предлагаем подборку полезных видеоматериалов.

Конструкция теплового насоса, особенности сборки системы:

Особенности подключения, эксплуатации самодельного теплового насоса:

Видеоотзыв о работе самодельной отопительной системы из кондиционера:

Схемы обогрева с теплонасосами не всегда рентабельны и удобны, поэтому обязательно взвесьте плюсы и минусы отопления этого типа.

Если придете к выводу, что такая система подойдет для вашего дома, не торопитесь тратить огромные суммы на готовую установку и соберите конструкцию самостоятельно. Это не так уж и сложно, требует гораздо меньших денежных вложений, а эффект может превзойти все ожидания.

Холодильник наизнанку

Дата публикации: 5 января 2014

Кто первый ощутил тепло земное

И когда? Сейчас речь пойдёт о том, как взять тепло земных глубин, незамерзающих водоёмов, а потом, несколько умножив его, принести в жилой дом. Так кто же первый на планете пришёл к такой гениальной мысли использования термального отопления, когда?

Сам способ рассмотрения этого замечательного явления, как использование тепла земли, был открыт ровно 162 года тому назад английским физиком Кельвином. Но то была лишь теоретическая догадка, концепция, не более того. Три года спустя после его открытия, в 1855 году, австриец Риттингер ухватился за открытую Кельвином идею и сконструировал тепловой насос. С тех самых времён ходит по нашей планете идея получения тепла от матушки-земли, от окружающей среды и переносе его в жилые дома. От идеи люди давно перешли к практическому осуществлению этой замечательной концепции.

Хотя здесь надо отдать должное исторической справедливости. Прежде, чем люди додумались до отопительных систем, они веками ломали голову над тем, как получить холод для сохранения продуктов. Началось с китайской мудрости тысячелетней давности. Те вначале стали собирать лёд зимой, помещали его в подвалы, ямы-ледники для сохранения продуктов в жаркое время года.

А идея испарительного охлаждения возникла в Египте за два тысячелетия до нашей эры. Лишь в начале 16 столетия сделаны попытки охлаждать воду специальными солями. Затем, спустя ещё одно столетие, англичанин Бойль обнаружил, что вода в вакууме может испаряться при очень низких температурах. Получением низких температур вплотную занимался и русский академик М.В.Ломоносов, написавший в 1744 г. свои «Размышления о причине теплоты и холода». Так в конце 18 столетия человечество вплотную приступило к разработке холодильных машин.

Если учесть, что тепловой насос по своему принципу действия равнозначен холодильнику, то историю получения тепла справедливей считать с получения человечеством искусственного холода.

Вывернутый наизнанку холодильник

Теперь поговорим о тепле в нашем доме. Как его получить наиболее выгодным способом? Какую роль играет в этом важном жизненном деле термальное отопление, источник которого лежит у нас буквально под ногами. Что, не верите? У вас, вероятно, сразу возникли представления о горячих гейзерах, бьющих из недр земли, о камчатских фонтанах и вулканических выбросах при извержении вулканов. Не совсем так. Вернее, совсем не так.

Речь пойдёт об уникальных способностях нашей матушки Земли, которая у нас под ногами. Естественно, о её тепле тоже. Бесполезно и глупо витать в облаках, пытаться заглядывать за горизонт. Опусти взгляд, посмотри себе под ноги. Так поступают жители самого холодного континента Европы – шведы, у которых термальное отопление уже сейчас обогревает больше половины всей жилой площади страны.

Кстати, не только Швеция обратила внимание на возможности естественного тепла. В Америке в принудительном порядке обязали строителей жилых помещений изначально закладывать в проекты сооружение такой системы обогрева будущих зданий. А в Германии на государственном уровне поощряют людей, пожелавших установить в своих домах систему геотермальных насосов.

Что же представляет из себя тепловой насос и каков его принцип работы? Вы не поверите! Фигурально выражаясь, это вывернутый наизнанку … холодильник. Морозильная камера помещена глубоко в землю, а змеевик, что на задней стенке вашего холодильника (пощупайте – он горячий), предназначен для нагрева комнатного пола или воды.

То есть, это тот же холодильник, только работающий в противоположную сторону. Холодильник наизнанку, если можно так выразиться. Холодильник забирает тепло из внутренней камеры и выбрасывает его наружу (см. схему принципа работы холодильника). Тепловой насос берёт тепло из земли, водоёма, затем с помощью компрессора в десяток раз увеличивает его и отдаёт на обогрев полов и нагрев воды в жилых помещениях и офисах. В холодильнике тепло из камеры выбрасывается наружу, в термальной системе отопления тепло забирается снаружи и, умноженное, поступает внутрь помещения. Процесс такой же, но в противоположном направлении.

В средней полосе европейского региона России, а также на Украине и Белоруссии, земля промерзает не более одного метра. Глубже промерзания она имеет одинаковую температуру – около 8 градусов. Исходя из этого, делается траншея на глубину 1.5 – 2 метра (см. рисунок 1), укладывается змеевик из трубы с наполненным хладагентом – совершенно безвредным специальным газом, способным под действием компрессора превращаться в жидкость, а при потере давления снова обретать газовое состояние. Некоторые специалисты советуют наполнять трубы незамерзающим наполнителем — тосолом, хорошо знакомом каждому автолюбителю. Но такое удовольствие сомнительно, к тому же, стоит недёшево.

Есть ещё один способ укладки «морозилки». Буром проделывается скважина глубиной до 100 метров, куда помещается упомянутая труба. (см. рисунок 2). Кстати, на такой глубине температура почвы будет уже выше 10 градусов. Чем глубже, тем температура выше. На километровой глубине почва нагрета до 30 градусов.

Третий способ – использование близлежащего незамерзающего до дна водоёма, где размещается спираль трубы с наполнителем-хладагентом. Таким образом, одна часть системы смонтирована. Вторая его часть находится внутри дома в виде спирали на тепловых полах, или обогревателем для воды.

Термальный насос перекачивает жидкость или газ с более низкой температурой из подземной трубы, при помощи компрессора повышает давление (температуру), за счёт чего отапливается помещение. Проще говоря, тепловой насос — прибор для доставки тепла от источника низкой температуры к потребителю с температурой намного выше.

Принцип его действия показан здесь:

Вам не кажется, что всё просто?

Имеется в виду обустройство геотермального отопления. В действительности, всё так и есть. Но «просто» не означает «плохо», а, скорее, наоборот. Названный вид отопления помещений представляет самый лучший пример экономичности, а также экологической безопасности.

Спора нет, что при монтаже этой системы цена термального насоса и другого оборудования на порядок выше по сравнению с котельными. Однако делать выводы в пользу старых испытанных видов отопления рановато. Хотя бы потому, что при таком обогреве 1 кВт электроэнергии, затраченной для работы насоса, отдаёт 4-7 кВт! Выходит, что от 3 до 6 киловатт приходят к владельцу дома совершенно дармовые! Подсчитываем и делаем вывод, что такой обогрев дома площадью до 150 кв.м. окупается максимум через 5-6 лет. Нельзя забывать, что термальные насосы не только обогревают дома зимой, но и охлаждают их в жаркое время года.

Ещё один довольно значительный нюанс в пользу геотермального отопления. Прежде, чем обустроить газовую систему отопления, вам предстоит вдоволь набегаться по различным инстанциям для согласования. Бюрократическая волокита отберёт у вас и время и деньги, а при монтаже геотермального обогрева таких проблем не возникнет. Потому что вы ничем не рискуете, установив у себя в коттедже термальный насос вместе с его системой. Это не грозит ни пожаром при эксплуатации, ни загрязнением окружающей среды.

То есть, получаем экономичную и экологическую систему, которая на протяжении 35-50-ти лет будет работать без единого ремонта и через 5-6 лет после установки окупает себя и способна дарить бесплатное тепло для отопления дома!

В.В.Ильин

Тепловые насосы – холодильники наоборот

По прогнозам специалистов, доля отопления и горячего водоснабжения, генерируемого с использованием тепловых насосов, в развитых странах к 2020 году составит 75%.

Замечательным свойством тепловых насосов (ТН) является их способность извлекать энергию из окружающей среды: грунта, водоёмов и даже обычного воздуха. Температура этих сред может быть отрицательной (до -15°С), а температура воды, нагреваемой ТН, достигать 60-80°С.

Мы привыкли к тому, что количество тепловой энергии, получаемой на выходе теплового генератора, всегда меньше энергии, отобранной у энергоносителя – газа, топлива, электричества. КПД котла – всегда меньше 100%. С помощью же ТН для получения 1 кВт тепловой энергии можно затратить всего 0,25-0,4 кВт электроэнергии. Остальную энергию поставляет окружающая среда. Тепловой насос походит на обычный холодильник с той разницей, что последний извлекает тепло из продуктов, находящихся в камере, и рассеивает его в окружающее пространство, а ТН извлекает тепло из окружающего пространства и передаёт его в теплообменник. Таким образом, ТН – это холодильник наоборот. В обоих приборах используются два хорошо известных свойства жидкости:

– при переходе воды из одного фазового состояния в другое (из жидкости в пар (кипение) или наоборот – из пара в жидкость (конденсация), происходит поглощение или выделение теплоты. В термодинамике этот процесс называется теплотой фазового перехода;

– при уменьшении давления жидкость начинает кипеть (испаряться) при более низкой температуре. В ТН и холодильниках используются специальные вещества – хладагенты, их называют фреонами или хладонами, которые кипят при температурах -20°С, -30°С. Хладагент является рабочим телом холодильной машины, циклические изменения агрегатного состояния которого позволяют производить перенос теплоты от среды с низкой температурой к среде с более высокой температурой. Среда с низкой температурой называется источником низкопотенциального тепла. Это могут быть грунт, водоём или воздух.

Принцип работы теплового насоса

ТН, как и холодильник, состоит из 4-х основных функциональных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и дросселя, по которым циркулирует рабочее тело – фреон.

К испарителю тем или иным способом подводится теплота от низкопотенциального источника тепла – грунта, воды, воздуха. В теплообменнике испарителя эта теплота передаётся рабочему телу – фреону, который находится под низким давлением и при данной температуре закипает. Образовавшийся пар втягивается в компрессор и сжимается. Температура пара при сжатии повышается до 90-100°С. Горячий фреон под давлением поступает в конденсатор – теплообменник, по внешнему контуру которого циркулируют вода или воздух, являющиеся теплоносителем для системы отопления.

В конденсаторе пары фреона конденсируются на холодных поверхностях, передают свою теплоту теплоносителю внешнего контура, а сами, охлаждаясь, переходят в жидкую фазу. Далее жидкий фреон проходит через дросселирующий вентиль, после которого его давление резко уменьшается, а температура становится ниже температуры источника низкопотенциального тепла.

В завершение цикла фреон снова попадает в испаритель, закипает, испаряется и т.д., и цикл автоматически повторяется. Так работают ТН парокомпрессионного типа, которые обычно используются в бытовых установках. Существуют также абсорбционные, эжекторные, термоэлектрические тепловые насосы.

Агрегат отбирает тепловую энергию у среды, температура которой может быть отрицательной, и закачивает её в теплоноситель потребителя, температуру которого может довести до 60-80°С. Характерно, что в ТН расходуется энергия, необходимая только для работы компрессора. Количество тепловой энергии, передаваемое от источника низкопотенциального тепла потребителю, может быть в несколько раз больше, чем затраты электроэнергии на привод компрессора.

Главной характеристикой ТН является коэффициент преобразования тепла. Он показывает отношение величины тепловой мощности, выдаваемой потребителю, к соответствующему показателю работы компрессора. На 1 кВт затраченной электрической энергии с помощью ТН можно получить от 2,5 до 4 кВт тепловой энергии.

Способы отбора низкопотенциального тепла

Важный компонент теплового насоса – устройство, которое отбирает теплоту из среды. Так как источником низкопотенциального тепла могут быть разные среды (грунт, вода, воздух), то и способы отбора теплоты разлтчны:

1. Грунтовые зонды. Тепло отбирается из одной или нескольких скважин глубиной 50-150 м. Температура грунта на такой глубине всегда одинакова – около +10°С. Поэтому грунтовые зонды наиболее эффективны. Тепловая мощность глубоких зондов составляет от 30 до 100 Вт на погонный метр скважины. Глубина и количество скважин зависят от вида грунта и тепловой мощности, необходимой потребителю;

2. Грунтовые коллекторы. Тепло отбирается из неглубокого слоя земли (1-2 м) с помощью горизонтально уложенных полиэтиленовых труб с незамерзающим теплоносителем. Способ укладки трубы может быть петлёй, змейкой, спиралью и т.п. и определяется свойством грунта и геометрией участка. Тепловая мощность грунтового коллектора составляет 10-35 Вт на погонный метр трубы, стоимость ниже стоимости грунтовых зондов. Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания грунта;

3. Водяные коллекторы. Трубы укладываются на дно непромерзающего водоёма. Система более эффективна, чем грунтовый коллектор, и не требует производства земляных работ, однако условия для её реализации достаточно редки;

4. Воздушные контуры. Всё большее распространение получают воздушные тепловые насосы, которые используют тепло наружного воздуха. Они эффективно работают до температуры воздуха -10°С и даже ниже. Коэффициент преобразования тепла воздушных ТН – 3-3,8, а максимальная температура воды в системе отопления достигает 55°С. При температуре воздуха ниже -10°С эффективность воздушных ТН снижается и нужно подключать второй (резервный) котёл – дизельный или электрический. Для этой цели в конструкции некоторых моделей воздушных ТН предусмотрены встроенные ТЭНы.

В последние годы воздушные ТН научились также использовать тёплый воздух вытяжных вентиляционных систем жилого дома. Это дополнительное тепло направляется на увеличение эффективности тепловых насосов или на подогрев земли вокруг грунтовых коллекторов.

Российские учёные получили полезное тепло из холода

Принцип работы «ТепХол».
Иллюстрация Юрия Аристова.

Учёные из Института катализа СО РАН придумали, как из холода получить тепло, которое можно будет использовать для отопления в суровых климатических условиях. Для этого они предлагают в условиях низкой температуры поглощать пары метанола пористым материалом. Первые результаты исследования были опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.

Химики предложили цикл под названием «Тепло из Холода» («ТепХол»). Учёные преобразуют теплоту, используя процесс адсорбции метанола пористым материалом. Адсорбция – это процесс поглощения веществ из раствора или газовой смеси другим веществом (адсорбентом), который применяют для разделения и очистки веществ. Поглощённое вещество называется адсорбат.

«Идея была в том, чтобы сначала теоретически предсказать, каким должен быть оптимальный адсорбент, а потом синтезировать реальный материал со свойствами близкими к идеальному, — прокомментировал один из авторов исследования, доктор химических наук Юрий Аристов. — Рабочим веществом являются пары метанола, и обычно их адсорбируют с помощью активированных углей. Вначале мы взяли коммерчески доступные активированные угли и использовали их. Оказалось, что большинство из них «работают» не очень хорошо, поэтому мы решили сами синтезировать новые адсорбенты метанола, специализированные для цикла «ТепХол». Это двухкомпонентные материалы: в них есть пористая матрица, относительно инертный компонент и активный компонент – соль, хорошо поглощающая метанол».

Далее исследователи провели термодинамический анализ цикла «ТепХол», который даёт ориентировочное представление о протекании процесса преобразования, и определили оптимальные условия реализации адсорбции. Перед учёными стояла задача узнать, может ли новый термодинамический цикл обеспечить достаточную эффективность и мощность генерации теплоты. Чтобы ответить на этот вопрос, был сконструирован лабораторный прототип установки «ТепХол» с одним адсорбером, испарителем и криостатами, которые имитировали холодный воздух и незамерзающую воду.

Адсорбент помещали в специальный теплообменник с большой поверхностью, сделанный из алюминия. Эта установка позволяет производить тепло в прерывистом режиме: оно выделяется при поглощении метанола адсорбентом, а потом требуется время на регенерацию последнего. Для этого давление метанола над адсорбентом уменьшают, чему способствует низкая температура окружающего воздуха. Испытания прототипа «ТепХол» проводили в лабораторных условиях, где имитировались температурные условия сибирской зимы, и эксперимент завершился успешно.

Первый прототип устройства «ТепХол»: 1 – адсорбер, 2 – испаритель/конденсатор, 3 – теромокриостаты, 4 – вакуумный насос.

«Используя зимой два природных термостата (резервуара тепла), например, окружающий воздух и незамерзающую воду из реки, озера, моря или грунтовые воды, с разницей температур 30-60 °C, можно получить теплоту для обогрева домов. Причем чем холоднее на улице, тем легче получить полезное тепло», — рассказал Юрий Аристов.

На сегодняшний день учёные синтезировали четыре новых сорбента, которые находятся в стадии испытаний. По словам авторов, первые результаты этих испытаний очень обнадёживают.

«Предложенный способ позволяет получить тепло непосредственно на месте в регионах с холодной зимой (северо-восток России, север Европы, США и Канада, а также Арктика), что может способствовать ускорению их социально-экономического развития. Использование даже небольшого количества низкотемпературной теплоты окружающей среды может привести к изменению структуры современной энергетики, уменьшить зависимость общества от органического топлива и улучшить экологию нашей планеты», — заключил Аристов.

В перспективе разработка российских учёных может быть полезной для рационального использования низкотемпературных тепловых отходов промышленности (например, охлаждающая вода, которую сбрасывают тепловые электростанции, и газы, которые являются побочным продуктом химического и нефтеперерабатывающего производства), транспорта и жилищно-коммунального хозяйства, а также возобновляемой тепловой энергии, особенно в регионах Земли с суровыми климатическими условиями.

Ученые придумали, как добывать энергию из холода

На протяжении всей своей истории человечество регулярно искало новые источники добычи энергии. После паровых машин и эпохи продуктов нефтепереработки и двигателей внутреннего сгорания, люди придумали, как использовать энергию солнца. Активно ведутся разработки в области электродвигателей и систем, работающих на чистом водороде. Но практически все это, если так можно выразиться, «горячие» процессы. А можно ли добывать энергию из холода? Звучит как нечто невероятное? Вовсе нет!

Добывать энергию из холода? Нет ничего невозможного!

Как добыть энергию из холода?

Как сообщает редакция издания Scitechdaily, за новую разработку отвечают ученые из Университета Лос-Анджелеса и Стэндфордского университета. По словам авторов работы, их устройство может использовать темное время суток (а также в перспективе и холод космического пространства) для создания возобновляемого источника энергии. О подобных разработках мы регулярно сообщаем в нашем новостном канале в Телеграм, так что рекоменудем подписаться.

Мы считаем, что наша технология позволит использовать те же солнечные батареи более эффективно, — говорит один из разработчиков технологии Аасват Раман. Мы сможем добывать часть энергии в темное время суток, когда у вас нет доступа к солнечному свету. Конечно, солнечную или любую другую энергию, накопленную за день, можно запасать. Но гораздо выгоднее дополнить этот процесс системами, которые помогают добывать энергию и ночью.

Новое устройство работает благодаря, так называемому, термоэлектрическому эффекту. Если попытаться объяснить суть этого эффекта, не вдаваясь в сложные физические термины, то он возникает в результате взаимодействия двух материалов с разной температурой. Если правильно расположить эти элементы друг относительно друга, то изменение температуры на границе взаимодействия можно будет преобразовать в энергию. При этом похожие системы довольно давно существуют, но их производство очень сложно «отбить по деньгам», так как при создании используются достаточно дорогие материалы.

Это интересно: Ученые смогли превратить свет и воздух в жидкое топливо

Исходя их этого, ученые спроектировали свое устройство таким образом, чтобы при их создании использовались максимально простые и дешевые компоненты. В основе экспериментального генератора энергии лежит алюминиевый диск, помещенный в корпус из полистирола. Сверху диск прикрыт окном, которое пропускает инфракрасный и ультрафиолетовый свет, но не выделяет тепло обратно. Сама конструкция по размерам оказалась довольно небольшой, поэтому для тестов к ней подсоединили маленький светодиод.

Схема работы экспериментальной установки

В результате выяснилось, что когда температура воздуха опускается ниже нуля, теплый алюминиевый диск начинает взаимодействовать с холодом, исходящим со стороны окошка. Разность температур позволяет генерировать примерно 0,8 милливатт мощности, что соответствует 25 милливаттам на квадратный метр. Этого хватило для того, чтобы небольшой светодиод работал довольно продолжительное время без дополнительных источников питания.

Команда ученых считает, что их система довольно легко подвергается масштабированию и уже сейчас им по силам сделать установку, которая будет выдавать порядка 500 милливатт на квадратный метр. Этого уже будет достаточно для, скажем, освещения помещений в темное время суток. В то же время эксперты заверяют, что помимо освещения в вечерние и ночные часы, их устройство подойдет для выработки электроэнергии «везде, где это необходимо», в том числе и в условиях космического пространства.

Сибирская технология поможет отапливать дома при помощи холода

Далее ученые провели термодинамический анализ цикла «ТепХол», который дает ориентировочное представление о протекании процесса преобразования, и определили оптимальные условия реализации адсорбции. Перед учеными стояла задача узнать, может ли новый термодинамический цикл обеспечить достаточную эффективность и мощность генерации теплоты. Чтобы ответить на этот вопрос, был сконструирован лабораторный прототип установки «ТепХол» с одним адсорбером, испарителем и криостатами, которые имитировали холодный воздух и незамерзающую воду. Адсорбент помещали в специальный теплообменник с большой поверхностью, сделанный из алюминия. Эта установка позволяет производить тепло в прерывистом режиме: оно выделяется при поглощении метанола адсорбентом, а потом требуется время на регенерацию последнего. Для этого давление метанола над адсорбентом уменьшают, чему способствует низкая температура окружающего воздуха. Испытания прототипа «ТепХол» проводили в лабораторных условиях, где имитировались температурные условия сибирской зимы, и эксперимент завершился успешно.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *