Греться и отапливать свое жилье человек научился тогда, когда впервые овладел огнем, т.е. очень давно. Но вот что касается охлаждения жилища, то первая технология была изобретена недавно, в средине XIX века. Именно тогда появилась первая основа для создания холодильной машины.
Природные источники энергии
До изобретения холодильной машины люди даже не задумывались о возможности использования природных источников энергии (такую энергию еще называют низкопотенциальной). Но с появлением подобной машины стали уделять много внимания возможности использования тепловой энергии от природных источников. Однако наука не ограничивалась только природной энергией. Человек в течение своей жизни тратит и в прямом смысле выбрасывает на улицу много тепла, сливая, например, горячую воду в канализацию или выводя из помещения вентиляционный теплый воздух. Что уж говорить о промышленности, тепловые выбросы в атмосферу которой просто колоссальны. Конечно, все эти вторичные или природные энергоресурсы не горячие источники, ведь иначе с ними не возникало бы проблем. В действительности же настоящих горячих источников в мире мало, и перспектива или возможность использовать источники не очень горячие выглядит привлекательно и очень заманчиво. Если, например, охладить Мировой океан хотя бы на 1 градус, это позволило бы получить огромное количество энергии. Но в действительности эта затея не удастся, и физик Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус давным-давно объяснил, почему. В частности, он сформулировал второе начало термодинамики – аксиому, твердящую, что теплота не может быть передана от холодного тела к более теплому. В природе не может существовать способа (природного или искусственного) передачи тепла от холодного тела к более теплому, если только в природе не произойдет изменений, способных компенсировать эту передачу.
Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус
Тепловой насос Томсона
Уильям Томсон – известная личность в мире физике. Этот ученый в 1892 году был награжден титулом лорда Кельвина за свои заслуги. Томсон в 1891 году доказал невозможность изобретения вечного двигателя, который бы тепловую энергию превращал в механическую. В частности, сами по себе процессы производства механической работы за счет охлаждения теплового резервуара не могут происходить. Следовательно, машина, которая извлекает тепло из окружающих тел и превращает его в механическую энергию, не может быть создана. Однако сам же Томсон в 1852 году предложил очень похожую технологию, извлекающую тепло, но с затратами энергии. Это изобретение и было самым первым тепловым насосом, но физик предпочитал называть ее умножителем теплоты (heatmultiplier).
Уильям Томсон
Современный аналог «умножителя теплоты» - тепловой насос, использующий наружный воздух как источник низкопотенциальной теплоты. Т.е., это устройство нагревает воздух воздухом.
Принцип работы умножителя теплоты, созданного Томсоном, был следующий: во входной цилиндр поступает воздух с улицы, там он расширяется, в результате чего происходит его охлаждение. Далее он поступает в ресивер, где осуществляется его нагрев от наружного воздуха. Затем он поступал в выходной цилиндр, сжимался и ощутимо нагревался. В нагретом состоянии он поступал в помещение, тем самым обогревая его. Несложно догадаться, что принцип работы такого механизма был основан на исследованиях газов при их расширении и сжатии. Дело в том, что газы, расширяясь, охлаждаются и нагреваются при сжатии (т.е. при повышении давления). Данный эффект был обнаружен сразу двумя учеными практически в одно и то же время (в 1852 году) – Джеймсом Прескоттом Джоулем и Уильямом Томсоном. Именно поэтому эффект изменения температуры газов при их сжатии/расширении известен на данный момент как эффект Джоуля-Томсона. В науке имя этих ученых забыто никогда не будет, т.к. их имена увековечены: в честь Кельвина названа единица измерения градуса температуры; в честь Джоуля – единица измерения энергии.
Умножитель теплоты:
- воздух из внешней среды;
- входной цилиндр;
- теплообменник;
- привод;
- паровая машина;
- выходной цилиндр;
- нагретый воздух.
Однако не будем сильно отклоняться от темы и вернемся к сути – к тепловой машине. Томсон с целью доказать эффективность своего изобретения подсчитал, что идеальная машина для нагрева 1 фунта воздуха в секунду до температуры 27 °С (от температуры 10 °С) требует 211 Дж тепловой энергии (это уже современные единицы измерения). Если же производить нагрев воздуха того же объема стандартным способом (сжигая топливо), то для этого требуется 7385 Дж. По сути, для этого приходится тратить в 35 раз больше теплоты, и это довольно-таки неэффективно. Природные ресурсы ведь ограничены, поэтому сжигать топливо непрерывно – это не самый лучший вариант. Его нужно экономить, и множитель теплоты предлагает весьма неплохое решение: с его помощью потребление топлива существенно снижается и по сравнению с обычными печами составляет всего 3%.
Если рассмотреть тепловой насос и холодильную машину с точки зрения термодинамики, то их принцип работы практически одинаков. Единственное отличие заключается лишь в том, что работают устройства в разных направлениях.
Для наглядности можно рассмотреть работу холодильной машины, в которой происходит процесс теплообмена «воздух-воздух». Устройство попросту берет теплоту воздуха в помещении (низкопотенциальный источник) и рассеивает ее на улице, нагревая при этом наружный воздух. Тепловой насос, напротив, берет теплоту у наружного воздуха (он при этом охлаждается) и отдает ее воздуху внутри помещения, производя его обогрев.
Однако в этой технологии есть одна проблема – низкая эффективность использования наружного воздуха в качестве источника тепловой энергии. Тепловой насос работает лучше, если разница между потребителем и источником теплоты выше. Зимой наружный воздух очень холодный, и извлекать теплоту из него довольно проблематично. Летом этот же воздух сильно теплый, однако при этом отапливать помещение нет необходимости, ведь внутри и так будет тепло. Поэтому как источник низкопотенциальной тепловой энергии лучше использовать либо сточные воды, либо вытяжной вентиляционный воздух.
В принципе, наружный воздух также используется с целью получения теплоты, но редко. Кондиционеры «умеют» работать на нагрев помещения, используя при этом низкопотенциальную энергию внешнего воздуха. Например, весной или осенью в офисах бывает прохладно с утра, а днем офисы естественным образом нагреваются. Поэтому кондиционер, обычно охлаждая офис в течение дня, с самого утра может нагреть воздух до комфортной температуры, работая в режиме теплового насоса. Таким вот образом кондиционер будет охлаждать наружный воздух утром, а днем нагревать его. Эти процессы имеют одинаковый физический смысл.
Единственный труд Карно
Справедливости ради стоит отметить, что идея «умножителя теплоты» была отчасти позаимствована Томсоном. Впервые она прослеживалась в работах французского физика Николя Леонара Сади Карно, который, к тому же, был военным инженером. Ему принадлежит лишь одна работа, опубликованная в 1824 году, т.к. другие он просто не успел создать. Карно жил в бурное время и погиб в возрасте 36 лет.
Николя Леонар Сади Карно
Впрочем, его единственного труда было достаточно для того, чтобы его имя запомнила история науки. Его работа является основой всей термодинамики и научной дисциплиной, ведь в ней присутствуют понятия идеальной тепловой машины – устройства, которое преобразует тепловую энергию в работу с максимальной эффективностью. Также в его работе представлены понятия необратимости и обратимости процессов термодинамики и т.д. Соответственно, опираясь на труды Карно, Томсон и изобрел свою тепловую машину.
Цикл Карно
Развитие идеи
Взяв идею Томсона, австрийский инженер Петер Риттер фон Риттингер. смог ее развить и усовершенствовать. Проведя ряд экспериментов в 1856 году, он создал самый первый тепловой насос, выпаривающий рассол в соляных шахтах.
Скорее всего, именно изобретение Риттингера стимулировали работу установки таких насосов в шахтах соседа – Швейцарии. Установка по выпариванию соли была создана позже швейцарцами – Дж. Вейбелем и П. Пикаром, и впервые ее установили в 1876 году. Эта машина была более производительна, нежели машина, созданная Риттером. Она могла выпаривать до 175 кг соли в час. Позже такие машины стали устанавливать во Франции и Германии. Еще позже швейцарец Генрих Зоэлли предложил использовать грунт слоев земли как низкопотенциальный источник теплоты. В 1912 году он получил патент на свое изобретение.
Установка Пикара и Вейбеля по выпариванию соли
Во многом новые инженерные решения были придуманы благодаря дефициту топлива в течение Первой мировой войны. После 1918 года начали проводить исследования использования тепловых насосов с целью обогрева зданий, и в результате проекты домов с отоплением на базе таких установок были реализованы.
На основе материалов из журналов "ON", "Мир Климата", брошюры "History of Heat Pumps"