Юный техник, 2004 № 11 - [17]
Мы уже рассказывали, что тепло для отопления дома можно брать из окружающей среды, используя для этого старый домашний холодильник (см. «ЮТ» № 10–03). На его работу тратится электроэнергия, но по сравнению с обычным электрическим отоплением расход ее снижается в несколько раз.
На том же принципе работают домашние кондиционеры. Летом они вырабатывают холод, а зимою переключаются на режим теплового насоса и дают тепло с двукратной экономией электроэнергии. Если холодильник в качестве обогревателя слабоват, то кондиционер пока все же предмет роскоши. Сегодня, как обещали, мы рассказываем о воздушном тепловом насосе, который тоже может играть роль нагревателя, хотя в нем нет фреона.
Вы знаете, что воздух при сжатии нагревается. Вот как это явление можно применить для экономичного отопления дома (рис. 1).
Рис. 1.
1 — охлаждаемая часть контура; 2 — калорифер; 3 — эксцентрик.
Компрессор сжимает уличный воздух и направляет его в калорифер. Полученное при сжатии воздуха тепло отдается комнате. Воздух же при этом охлаждается, уменьшается в объеме, но давление его остается прежним, а значит, он еще способен совершать работу. Поэтому его направляют в детандер — пневматический двигатель, находящийся на одном валу с компрессором. Он вращается за счет расширения воздуха и тем самым помогает мотору. От этого мощность, необходимая для сжатия порции воздуха, уменьшается, а количество теплоты, поступающей в комнату, оказывается больше электроэнергии, взятой электродвигателем от сети.
Сей факт, неоднократно подтвержденный работой промышленных установок, может навести на мысль о нарушении закона сохранения энергии. Но это не так. Воздух в детандере расширяется, совершает работу и за счет этого охлаждается. Температура его оказывается ниже, чем у воздуха, взятого с улицы. Но охлаждение есть не что иное, как потеря тепла. В данном случае тепло не исчезло бесследно, а после всех преобразований поступило к нам в комнату. За счет него и образовалась та прибыль тепловой энергии, которая перекрыла затраты на привод компрессора.
Иными словами, уличный воздух, пройдя через тепловой насос, часть своего тепла отдал комнате. Никакого нарушения физических законов здесь нет, только на улице становится чуть-чуть холоднее…
Воздушные тепловые насосы обычно строятся на основе турбины, играющей роль эспандера и турбокомпрессора.
К сожалению, турбины и турбокомпрессоры имеют высокий КПД лишь при больших мощностях, а потому при 1–2 кВт тепловые насосы себя не оправдывают.
И все же поскольку потребность в дешевом тепловом насосе домашнего назначения существует, рано или поздно он будет создан.
Возможно, в нем будут использованы поршневые машины, КПД которых не зависит от мощности. Такой тепловой насос будет состоять из поршневого компрессора и поршневой же расширительной машины — детандера, соединенного с турбокомпрессором при помощи вала, передающего энергию практически без потерь.
На рисунке 2 вы видите схему теплового насоса с упрощенным кулисно-эксцентриковым механизмом. Эксцентрик — это диск, укрепленный на валу не по центру, как обычно, а несколько сбоку, эксцентрично. Кулиса — это рамка, в которой находится эксцентрик. Вращаясь, он заставляет ее двигаться возвратно-поступательно. К кулисе при помощи штоков с одной стороны присоединен поршень компрессора, с другой — поршень расширительной машины. Таким образом, действующее на поршень давление воздуха непосредственно передается поршню компрессора. Мощность, подводимая электромотором к валу эксцентрика, равна разности между мощностью, необходимой для работы компрессора, и мощностью, создаваемой в расширительной машине за счет работы поступающего в нее сжатого воздуха.
Вот как могла бы работать небольшая модель теплового насоса, при помощи которой можно было бы с большой выгодой по расходу электричества заварить чашку кофе и — не удивляйтесь! — заморозить кусок мяса.
Рис. 2.
1 — холодильная камера; 2 — выпуск холодного воздуха; 3 — кулиса; 4 — компрессор; 5 — впуск уличного воздуха; 6 — золотник; 7 — детандер.
Ее компрессор имеет рабочий объем 25 см>3, детандер — 20 см>3. Давление в компрессоре 4 атм (0,4 мПа). Температура при сжатии в нем уличного воздуха с температурой 0 °C поднимается до 112 °C. Проходя через теплообменник и почти не уменьшая своею давления, он отдает тепло комнате, остывая при этом до 50 °C. После этого объем его уменьшается до 8 см>3, и он поступает в детандер. Здесь воздух совершает полезную работу и расширяется до атмосферного давления, после чего занимает объем около 20 см>3, а температура его снижается до —43 °C. Вот из этой разности температур между взятым с улицы и готовом к выбросу воздухом и берется тот прирост энергии сверх того, что мы потратили на привод электромотора. Чтобы в комнате стало тепло, его необходимо выбросить на улицу.
Но не будем спешить. Такой холод имеет свою ценность.
Если заставить этот воздух пройти через морозильную камеру, он будет замораживать в ней продукты. Уже потом его можно выпустить на улицу.
Так от теплового насоса можно получить двойную экономию. Не нужен становится холодильник, а значит, и расходы электричества на его привод, да еще получим 1,5-2-кратную экономию в затратах на отопление. Выгодно?
