Тепловой насос на базе двигателя стирлинга

Тепловые стирлинг насосы — пожалуй правильный шаг в развитии сберегающих технологий. Они позволяют не только экономить электроэнергию или сжигаемое топливо, но и оказывают минимальные негативные эффекты на окружающую нас среду. А представляют они собой обычный холодильник из двигателя Стирлинга.

Принцип работы прост. Если к двигателю стирлинга приложить механическую энергию, то т.н. горячий цилиндр будет охлаждаться, а холодный нагреваться, преобразуя низко потенциальное тепло (из охлаждаемой части) в тепло с более высокой температурой. Температура этой охлаждённой части может опускаться до -273°С (теоретически). Практически же удаётся легко достигать значений -190°С и ниже.

Если «насильно» нагревать охлаждённую часть цилиндра, то горячая сторона будет ещё больше нагреваться, пытаясь преобразовать тепло, подводимое к охлаждённому участку. Это называется перенос тепла от «источника» к «потребителю». Получается, что мы ещё больше отбираем тепло у холодного источника, делая его ещё холоднее и передаём это тепло к потребителю, делая его ещё горячее. Это даёт нам прекрасную возможность использовать низко потенциальную энергию (воздух, вода, грунт, сточные воды и т.п.) для нагревания чего либо. Например, температура грунта является практически постоянной величиной. В средней полосе России она колеблется от 4 до 8 градусов. Т.е. нагревая замерзающую часть цилиндра теплотой, запасённой в земле, мы можем температурой в горячей части двигателя обогревать своё жилище. Вкратце это и есть суть теплового насоса из Стирлинга и вообще любого теплового насоса.

Принцип действия теплового насоса (холодильника) на базе двигателя Стирлинга
Тепловой насос Стирлинга

На сегодняшний день на базе двигателя Стирлинга практически не производят тепловых насосов для бытовых нужд. Их преимущественно делают при помощи компрессоров с газами, обладающими способностью сжижаться при невысоких давления. Это различные марки фреонов, аммиак, углекислота и т.п.

Эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом трансформации энергии (переноса тепла). Для быстрой оценки можете воспользоваться калькулятором т.н. КПД (здесь). Для примера, температура грунта равна 4°С, а температура для нагрева требуется 70°С. По калькулятору мы получаем эффективность преобразования почти 420%. Это означает, что приложив 1 кВт энергии для переноса тепла от низко потенциального источника (в нашем случае от грунта), мы получим выделение 4,2 кВт тепловой энергии. Заметьте, чем меньше разница температур, тем больше эффективность. А те, кто снова задумался над вечным двигателем, советую прочитать пост Некоторые заблуждения относительно Двигателей Стирлинга.

На практике же всё не так уж радужно. У каждого устройства есть как свои достоинства, так и свои недостатки. У тепловых насосов есть много различных потерь, которые в сумме очень существенно снижают эффективность устройства.

  1. Потери в электродвигателе. Механическое усилие осуществляют обычно электрическими двигателями. Их КПД у самых мощных экземпляров достигает 95%. У менее мощных эта величина редко превышает 80%.
  2. При переходе газа в жидкость и при переходе из жидкости в газ рабочее тело безвозвратно тратит приложенную для этого процесса энергию.
  3. Трение в поршневой группе. Для повышения компрессии приходится вводить различные схемы уплотнений. Это заставляет тратить нашу прилагаемую энергию не только для осуществление сжатия рабочего тела, но и на преодоление силы трения уплотнений.
  4. Тепловые потери. Используемые материалы имеют теплопроводность. Там где нужно сберегать тепло, они его «сбрасывают» в окружающую среду, там где нужно его сбрасывать, они делают это не так быстро как хотелось бы. То же самое касается и холодной части теплового насоса.
  5. Гидравлические потери. Каждый газ или жидкость имеют свою вязкость. Это свойство рабочего тела заставляет нас тратить энергию на преодоление вязкости. А при увеличении скорости движения рабочего тела силы на преодоление вязкости возрастают в экспоненциальной форме. Гидравлические потери заложены и в перекачке жидкости по контуру низко потенциального тепла и по нагреваемому контуру.
  6. Механические потери. Конструкция любого двигателя не является совершенством. Неуравновешенность и дисбалансы в движимых частях также негативно влияют на КПД механической части компрессоров.
Читайте также:  Трубчатые нагреватели в Стирлингах, как от них отказаться?

В общем и целом все эти суммарные потери в тепловых насосах называют степень термодинамического совершенства и обозначают это коэффициентом h. Для устройств мощностью до 3 кВт h = 0,35 максимум. В более современных и дорогих разработках удаётся значительно увеличить это значение. Это значит, что для нашего примера (где мы получили 420% эффективности) реальная эффективность будет максимум 147% (420*0,35). Для более мощных установок h=0,5 . Т.е. и эффективность здесь будет на уровне 210%. На практике же редко используют такие высокие температуры нагревания. Обычно не выше 55°С. При такой температуре теоретическая эффективность будет 543%, а реальная эффективность для маломощного  теплового насоса составит около 200%. Т.е. затратив 1 кВт электроэнергии вы получите 2 кВт тепла. Также для увеличения эффективности следует стремиться к увеличению температуры источника тепла (грунта, воды, воздуха). Из-за низких температур земли во многих широтах нашей страны не выгодно использовать тепловые насосы для обогрева жилища, особенно на территориях с вечной мерзлотой.

Использование теплового насоса для отобления дома
Стирлинг для отопления

Что нас манит в производстве холодильников на основе двигателей Стирлинга? В первую очередь мы лишаемся некоторых недостатков, а именно потери на испарение и конденсацию. Двигатель стирлинга работает по циклу Карно, а это самый эффективный цикл преобразования тепловой энергии. Также различные технологические ухищрения могут повысить степень термодинамического совершенства. К примеру — конфигурация двойная гамма. Она почти в двое может снизить потери на трение. Вместо фреонов и других опасных рабочих тел в стирлингах мы можем использовать любой безопасный газ: воздух, углерод, азот, гелий и водород. Конечно расплатой за это будет высокие значения давлений рабочих газов, доходящих до 100 атмосфер и больше.

Многие компании, производящие бытовые холодильники и тепловые насосы пытались и пытаются сделать эффективный, надёжный и безопасный холодильник Стирлинга и даже в 2004 году фирма LG сделала громкое заявление, что вот вот начнёт производство холодильников на основе этого самого эффективного устройства. Но как-то до сих пор они не появились. А посему становится ясно, что удел изобретению г-на Стирлинга это узкоспециализированное применение. Применение, где финансовая сторона не играет определяющей роли, а важны надёжность, высокая эффективность и универсальность.

Читайте также:  Калькулятор расчёта КПД цикла Стирлинга (Карно)

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

2 комментария

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *