Популярная наука о принципах работы теплового насоса

Обеспечение мышления, лежащего в основе технологии

Погода становится все холоднее и холоднее, и владельцы электромобилей на севере снова начали пересекать море, демонстрируя свои волшебные способности. Все думают о том, как провести долгую зиму на электромобилях.

Столкнувшись с безумной ситуацией, когда при включении кондиционера время автономной работы сокращается вдвое, все постоянно проявляют изобретательность. Кто-то покупает USB-наколенники с подогревом, кто-то делает собственный пауэрбанк и инвертор для питания обогревателя, кто-то покупает дизельный двигатель для обогрева, который нужен только для того, чтобы поставить в машину угольную печку!

Как раз когда все были в растерянности перед холодной зимой, с неба донесся рев Tesla Model Y: У меня есть тепловой насос, следуйте за мной!

На мгновение владельцы автомобилей пришли в восторг. Кто-то кричал, что наконец-то пришел спаситель; кто-то сетовал, что слишком рано купил Model 3 (новая модель уже оснащена тепловым насосом); некоторые активисты начали сравнительное тестирование и пришли к выводу, что тепловой насос эффективнее традиционного отопления PTC3 раза; кто-то спокойно отметил, что Tesla - не инновация, тепловые насосы - не новинка, и Tesla не была первой, кто их использовал;

Это кажется волшебным: красть тепло из холода снаружи в тепло внутри? Это похоже на банк, который собирает деньги у бедных через сбережения, а затем одалживает их богатым.

Сегодня я вместе с читателями посмотрю, насколько удивителен этот тепловой насос и как он работает?

Насосы и тепловые насосы

Тепловой насос - это тоже насос. Сначала нужно понять, что такое насос.

Насос, по сути, увеличивает потенциальную энергию жидкости, совершая работу, что кажется слишком запутанным.

Грубо говоря, это означает перекачивать воду из низкого места в высокое. Фух, как приятно произносить человеческие слова. Вот оно, веселье популярной науки!

Таким образом, насос - это то, что идет против тренда. Поскольку он идет против тренда, он должен потреблять энергию.

Тепловые насосы также идут вразрез с тенденцией. Какому тренду они противоречат?

Второй закон термодинамики, изучаемый в средней школе, гласит, что тепло может передаваться от высокотемпературного объекта к низкотемпературному, но не может "самопроизвольно" переходить от низкотемпературного объекта к высокотемпературному.

Таким образом, тепловой насос использует внешнюю силу для передачи тепла от низкотемпературной области снаружи автомобиля к высокотемпературной области внутри автомобиля!

Принцип работы теплового насоса

Теперь, когда вы знаете, что делает тепловой насос, вам также необходимо знать, как он работает.

Честно говоря, в заголовках есть много статей о тепловых насосах, но в большинстве из них для объяснения используются схемы Теслы, октопусные клапаны и некоторые диаграммы из области кондиционирования воздуха. Я не могу сказать, что они плохие, но они недостаточно интуитивны.

Далее я постараюсь объяснить принцип работы теплового насоса в самых простых терминах.

Давайте сначала рассмотрим феномен, который понятен каждому, как показано ниже:

Когда мы кипятим воду (левая сторона), вода в чайнике поглощает тепло и достигает температуры 100 градусов, вода закипает и начинает выделять водяной пар. Как мы все знаем, температура кипения воды при одной атмосфере составляет 100 градусов, поэтому мы предполагаем, что она находится при одной атмосфере.

Затем мы используем трубу, чтобы отправить весь водяной пар на правую сторону, предполагая, что тепло не теряется во время этого процесса передачи. Затем 100-градусный водяной пар достигает правой стороны. Поскольку там нет источника тепла, он начинает конденсироваться и снова превращается в капли воды. При этом также выделяется тепло, и температура постепенно становится ниже, допустим, опускается до 90 градусов.

Как видите, при одном атмосферном давлении мы переносим тепло от 100-градусной области слева к 90-градусной области справа через водяной пар. Температура переходит от высокой к низкой, что кажется вполне объяснимым. Так же происходит, когда все кипятят воду.

Далее нам предстоит увидеть волшебное явление. Предположим, мы поднимем чайник слева на главную вершину Гималаев. Представим, что мы попросили Ван Ши помочь нам поднять его наверх.

Главная вершина Гималаев находится на высоте более 8 000 метров, а давление на ней составляет почти 0,41 стандартной атмосферы. Поэтому температура кипения воды на горе становится ниже. Что это значит? Это значит, что при нагревании воды до 77 градусов она закипит, а температура не будет выше. Это явление легко понять, ведь давление воздуха здесь низкое, поэтому давление атмосферы на поверхность воды меньше, что позволяет молекулам воды легче превращаться в пар и улетучиваться.

Далее мы по-прежнему использовали трубу для передачи водяного пара, но на этот раз все было по-другому. Труба была очень длинной, действительно очень длинной, и напрямую передавала водяной пар в Пекин, где давление составляет одну атмосферу. Предположим, что при этом не происходит утечки тепла и качество трубы очень хорошее. Водяной пар снова достигает верха бассейна, повторяет тот же процесс конденсации, что и выше, и тоже выделяет тепло, а затем превращается в воду, но вода все еще имеет температуру 90 градусов.

Вы обнаружили, что через эту длинную трубку мы передаем тепло от области с низкой температурой 77 градусов к области с высокой температурой 90 градусов.

Разве второй закон термодинамики не гласит, что тепло не может быть передано от низкотемпературного объекта к высокотемпературному без внешней силы?

Что является внешней силой в приведенном выше эксперименте? Секрет кроется в этой длинной трубе. В Гималаях атмосферное давление равно 0,41, поэтому водяной пар тоже должен быть 0,41, но когда он достигает Пекина, то становится 1. Этот процесс требует постоянного нагнетания давления водяного пара в трубе, а на нагнетание давления расходуется энергия, то есть для совершения работы требуется внешняя сила.

Если мы сделаем достаточно длинную трубку, то сможем отправить в космос чайник, в котором вода сможет закипать при температуре минус 40 градусов Цельсия. Другими словами, мы можем получать тепло из отрицательных температур через воду, при условии, что атмосферное давление в этой среде достаточно мало.

Однако идеал очень полный, а реальность очень тощая. Мы не можем сделать такую длинную трубку. Да и температура кипения воды слишком высока.

Но суть эксперимента заключается в том, что давление на левую и правую стороны разное, что приводит к разным температурам кипения водяного пара на обеих сторонах.

Тогда нам остается только найти вещество, способное достичь большого изменения температуры кипения при не очень большом изменении давления. Разве не проще было бы получать энергию из низкотемпературных областей?

К счастью, есть такое вещество - хладагент, его еще называют хладагентом. В некоторых местах его также называют льдом. В любом случае, это самое основное, что есть в кондиционерах.

Нам просто нужно построить замкнутую циркуляционную систему с двумя участками трубопровода: трубопровод низкого давления и поместить его в область низких температур, а другой трубопровод высокого давления и поместить его в область высоких температур.

Затем позвольте хладагенту циркулировать от трубы низкого давления к трубе высокого давления в этой системе. Хладагент легко поглощает тепло в области низкого давления и закипает, превращаясь в пар. Затем он под давлением подается в область высокого давления, где выделяет тепло и конденсируется, а затем снова проходит через редукционную трубку. Через клапан давления он попадает в область низкого давления и продолжает поглощать тепло.

Снова и снова тепло перемещается из низкотемпературной области в высокотемпературную.

Будь то кондиционер или тепловой насос, принцип один и тот же.

Для нагнетания давления и циркуляции требуется электрическая энергия. Чем меньше потребляется электроэнергии и чем больше тепла транспортируется, тем эффективнее работает тепловой насос.

Можно с уверенностью сказать, что пока она не очень