Физика в нашей жизни, страница 108 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Физика в нашей жизни

Тепловой насос

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника с низкой температурой к потребителю с более высокой температурой.

Тепловой насос состоит из трех контуров. Первый контур представляет собой трубу, которая опускается в глубокую скважину. По ней течет жидкость, температура которой достигает температуры земли на глубине скважины. Жидкость первого контура передает количество теплоты, полученное от земли, во второй контур при кипении фреона в испарителе. Температура кипения фреона около $3-4 \text{ °C}$. В компрессоре фреон сжимается под давлением $24-28$ атмосфер, благодаря чему происходит увеличение температуры до $+65\text{°С}$. Третий контур – это система горячего водоснабжения или отопления дома. После теплообмена в конденсаторе фреон остывает, происходит уменьшение давления в сбросном клапане, фреон вновь превращается в жидкость. Цикл повторяется. Тепло из грунта можно получать на протяжении всего года, так как на глубинах от $1 \text{ м}$ температура практически не меняется.

Задания

1. Докажите, что действие теплового насоса не противоречит второму закону термодинамики.

2. Почему во втором контуре используют жидкость с низкой температурой кипения?

3. Почему в первом контуре в качестве носителя тепла используют «рассол» – незамерзающую жидкость?

4. Почему трубы первого контура пластиковые?

5. Почему тепловые насосы не используют для отопления многоэтажных домов?

6. В каких регионах РК выгодно отопление частных домов тепловыми насосами?

7. Возможно ли получение энергии из водоема или окружающего дом воздуха с использованием теплового насоса?

8. Начертите схему теплового насоса с системой воздух-фреон, вода-фреон.

9. Используя сеть Интернет, выясните, существуют ли тепловые насосы промышленного производства? Какова эффективность этих установок? Существуют ли установки казахстанского производства?

10. Выясните, что общего в устройстве теплового насоса и вашего холодильника.

1. Докажите, что действие теплового насоса не противоречит второму закону термодинамики.

Второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса гласит, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему. Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». В тепловом насосе этот процесс не является самопроизвольным, так как для его осуществления затрачивается внешняя работа. Компрессор, работающий от электрической сети, совершает работу $W$ над хладагентом (фреоном). Эта работа позволяет «перекачивать» теплоту $Q_C$ от холодного источника (грунт, воздух) и, добавляясь к ней, передавать потребителю (системе отопления) уже большее количество теплоты $Q_H$. Энергетический баланс выглядит так: $Q_H = Q_C + W$. Таким образом, тепловой насос не нарушает второй закон термодинамики, поскольку перенос тепла к более нагретому телу происходит за счет совершения внешней работы, а не спонтанно.

Ответ: Действие теплового насоса не противоречит второму закону термодинамики, так как перенос тепла от холодного источника к горячему потребителю не является самопроизвольным процессом, а осуществляется за счет совершения внешней работы компрессором.

2. Почему во втором контуре используют жидкость с низкой температурой кипения?

Во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), задача которого — забрать тепло у первого контура, нагретого от земли до невысокой температуры (например, +6 °C). Чтобы теплопередача была эффективной, хладагент должен кипеть (переходить из жидкого состояния в газообразное) при температуре ниже, чем температура теплоносителя первого контура. Как указано в тексте, температура кипения фреона составляет около +3–4 °C. Именно в процессе кипения вещество поглощает большое количество энергии — так называемую скрытую теплоту парообразования. Использование жидкости с низкой температурой кипения позволяет эффективно отбирать тепло даже у низкотемпературного источника, каким является грунт.

Ответ: Жидкость с низкой температурой кипения (хладагент) используется для того, чтобы она могла закипеть и эффективно поглотить тепловую энергию от низкотемпературного источника (первого контура), температура которого лишь ненамного выше 0 °C.

3. Почему в первом контуре в качестве носителя тепла используют «рассол» — незамерзающую жидкость?

Первый контур (грунтовый зонд) отдает тепло хладагенту во втором контуре, из-за чего его собственная температура сильно понижается. Как видно на схеме, температура жидкости, возвращающейся в скважину, может достигать 0 °C. В зимний период или при интенсивной работе насоса эта температура может опускаться и ниже. Если бы в качестве теплоносителя использовалась обычная вода, она бы замерзла, превратившись в лед. Лед, имея больший объем, чем вода, разорвал бы трубы контура, что привело бы к полному выходу системы из строя. «Рассол» (водный раствор солей) или другие антифризы (например, на основе гликолей) имеют температуру замерзания значительно ниже 0 °C, что гарантирует их циркуляцию в жидком состоянии и бесперебойную работу системы даже при отрицательных температурах.

Ответ: Незамерзающую жидкость («рассол») используют для того, чтобы теплоноситель в первом контуре не замерз и не повредил трубы, так как его температура в процессе работы опускается до 0 °C и ниже.

4. Почему трубы первого контура пластиковые?

Трубы первого контура, которые закладываются в грунт, делают из пластика (чаще всего из полиэтилена высокой плотности, HDPE) по нескольким причинам. Во-первых, пластик абсолютно не подвержен коррозии, в отличие от металлов. Это критически важно для труб, которые десятилетиями находятся в агрессивной среде — влажном грунте. Во-вторых, пластиковые трубы дешевле металлических, особенно с учетом необходимой большой длины для грунтового контура. В-третьих, они гибкие, что значительно упрощает монтаж, позволяя укладывать их в траншеи или скважины без большого количества соединений, которые являются потенциальными местами утечек. Наконец, современные пластиковые трубы очень прочны и имеют срок службы более 50 лет.

Ответ: Трубы первого контура делают пластиковыми из-за их высокой коррозионной стойкости, долговечности, гибкости (что упрощает монтаж) и более низкой стоимости по сравнению с металлическими аналогами.

5. Почему тепловые насосы не используют для отопления многоэтажных домов?

Тепловые насосы, особенно геотермальные, редко используются для отопления многоэтажных домов по двум основным причинам. Первая — это масштаб и необходимая площадь. Для отопления большого здания требуется огромная тепловая мощность, а значит, и очень большой грунтовый контур. Это могут быть сотни глубоких скважин или большая площадь земли для укладки горизонтального коллектора. В условиях плотной городской застройки, где строятся многоэтажные дома, такой свободной земли просто нет. Вторая причина — чрезвычайно высокая начальная стоимость. Бурение скважин, земляные работы и монтаж масштабной системы требуют огромных капиталовложений, которые делают проект экономически невыгодным по сравнению с подключением к централизованному отоплению или строительством собственной газовой котельной.

Ответ: Тепловые насосы не используют для отопления многоэтажных домов из-за необходимости в большой площади для размещения грунтового контура, что невозможно в условиях городской застройки, а также из-за очень высокой стоимости первоначальной установки.

6. В каких регионах РК выгодно отопление частных домов тепловыми насосами?

Выгода от использования тепловых насосов в Казахстане сильно зависит от региона. Наиболее выгодно их применение в южных регионах (например, Алматинская, Жамбылская, Туркестанская области), где зимы относительно мягкие и короткие. В таких условиях тепловые насосы работают с высоким коэффициентом эффективности (COP) и могут полностью покрывать потребность в отоплении. Также их установка целесообразна в тех местах, где нет доступа к магистральному природному газу, а отопление электричеством или дизельным топливом обходится дорого. В северных и центральных регионах РК (например, Акмолинская, Карагандинская, Павлодарская области) с их суровыми и продолжительными зимами эффективность тепловых насосов (особенно воздушных) значительно падает. Геотермальные системы будут работать, но потребуют более мощного и дорогого оборудования, а также, скорее всего, вспомогательного источника тепла, что снижает их экономическую привлекательность по сравнению с доступным углем или центральным отоплением.

Ответ: Отопление тепловыми насосами наиболее выгодно в южных регионах Казахстана с мягким климатом, а также в газифицированных районах, где стоимость традиционных видов топлива высока.

7. Возможно ли получение энергии из водоема или окружающего дом воздуха с использованием теплового насоса?

Да, это не только возможно, но и является распространенной практикой. Существуют разные типы тепловых насосов в зависимости от источника тепла.

1. Вода-вода/вода-воздух: Если рядом с домом есть водоем (озеро, река, пруд), его можно использовать как очень стабильный и эффективный источник тепла. В водоем погружается контур с теплоносителем (замкнутая система) или из него напрямую забирается вода для теплообмена (открытая система). Вода обладает высокой теплоемкостью и даже зимой подо льдом сохраняет положительную температуру (+4 °C у дна), что обеспечивает высокий КПД насоса.

2. Воздух-вода/воздух-воздух: Тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла окружающий воздух, являются самыми популярными из-за простоты монтажа (не требуются земляные работы или бурение). Внешний блок такого насоса с помощью вентилятора прогоняет через себя уличный воздух и отбирает из него тепло даже при отрицательных температурах. Однако их эффективность снижается по мере падения температуры воздуха.

Ответ: Да, возможно. Существуют тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла воду из водоемов (водяные ТН) или окружающий воздух (воздушные ТН).

8. Начертите схему теплового насоса с системой воздух-фреон, вода-фреон.

Так как начертить схему в текстовом формате невозможно, приведем ее словесное описание. Основной цикл (компрессор, конденсатор, сбросной клапан, испаритель) остается таким же, как на рисунке. Изменяется только внешний контур, который поставляет тепло к испарителю.

Схема «воздух-фреон» (воздушный тепловой насос):

1. Вместо грунтового зонда и первого контура используется внешний блок, установленный на улице.

2. Этот блок состоит из испарителя (радиатора с большой площадью) и вентилятора.

3. Вентилятор нагнетает уличный воздух на испаритель.

4. Хладагент (фреон), циркулирующий в испарителе, поглощает тепло из воздуха и кипит.

5. Далее газообразный фреон поступает в компрессор, и цикл продолжается как на исходной схеме.

Схема «вода-фреон» (водяной тепловой насос):

1. Вместо грунтового зонда используется контур, уложенный на дне водоема (озера, реки) или система забора воды из скважины/водоема.

2. Вода из этого источника (или теплоноситель, циркулирующий в подводном контуре) с температурой, например, от +4 °C до +10 °C, подается насосом в теплообменник-испаритель.

3. В испарителе тепло от воды передается фреону, который кипит.

4. Охлажденная вода возвращается обратно в водоем/скважину.

5. Газообразный фреон направляется в компрессор, и цикл продолжается.

Ответ: Схемы отличаются источником тепла для испарителя: в системе «воздух-фреон» это уличный воздух, нагнетаемый вентилятором на испаритель; в системе «вода-фреон» — это вода из скважины или водоема, проходящая через теплообменник-испаритель.

9. Используя сеть Интернет, выясните, существуют ли тепловые насосы промышленного производства? Какова эффективность этих установок? Существуют ли установки казахстанского производства?

Да, тепловые насосы промышленного производства существуют и активно применяются в различных отраслях: пищевой, химической, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в системах централизованного теплоснабжения. Они используются для утилизации бросового тепла технологических процессов, нагрева воды, сушки и других нужд. Мощность таких установок может достигать нескольких мегаватт.

Эффективность промышленных тепловых насосов, как и бытовых, оценивается коэффициентом преобразования (COP). Она может быть очень высокой, особенно в системах рекуперации тепла, где разница температур между источником и потребителем невелика. Значения COP часто находятся в диапазоне от 3 до 7, а для высокотемпературных насосов, работающих на современных хладагентах, могут быть и выше. Это означает, что на 1 кВт затраченной электроэнергии установка производит от 3 до 7 кВт тепловой энергии.

Что касается казахстанского производства, то крупных заводов, производящих все компоненты тепловых насосов (особенно компрессоры), в Казахстане нет. Рынок в основном представлен импортной продукцией ведущих мировых брендов (из Европы, США, Китая, Японии). Однако в стране существуют инжиниринговые компании, которые занимаются проектированием, сборкой, монтажом и обслуживанием теплонасосных систем, используя импортные комплектующие.

Ответ: Промышленные тепловые насосы существуют, они очень эффективны (COP 3-7 и выше) и используются для утилизации тепла. Крупное производство тепловых насосов в Казахстане отсутствует, но есть компании, занимающиеся сборкой и установкой систем из импортных компонентов.

10. Выясните, что общего в устройстве теплового насоса и вашего холодильника.

Тепловой насос и холодильник работают на основе одного и того же физического принципа — обратного цикла Карно, и по сути являются одним и тем же устройством. У них абсолютно одинаковый набор ключевых компонентов:

1. Компрессор — сжимает газообразный хладагент.

2. Конденсатор (теплообменник) — отдает тепло в окружающую среду, хладагент охлаждается и сжижается.

3. Расширительный клапан (или капиллярная трубка) — понижает давление жидкого хладагента.

4. Испаритель (теплообменник) — поглощает тепло, хладагент нагревается и испаряется.

Главное и единственное различие между ними — это их назначение. Цель холодильника — охлаждать внутреннюю камеру (испаритель). Тепло, забранное из камеры, «выбрасывается» наружу через конденсатор (решетку на задней стенке). Цель теплового насоса в режиме отопления — нагревать помещение (конденсатор). Для этого он забирает тепло из внешней среды (улицы, грунта) с помощью испарителя. Таким образом, холодильник — это тепловой насос, у которого полезным эффектом является охлаждение испарителя, а тепловой насос для отопления — это холодильник «наоборот», у которого полезным эффектом является нагрев конденсатора.

Ответ: Общим является принцип работы и наличие четырех основных компонентов: компрессор, конденсатор, расширительный клапан и испаритель. Разница заключается в назначении: холодильник использует холод, производимый испарителем, а тепловой насос — тепло, выделяемое конденсатором.