МБОУ “Богашевская СОШ” им. А.И. Федорова
Томского района
Индивидуальный дом. Тепловой насос и комфорт
Выполнил: Ученик 10 класса
Инин Степан
Учитель Физики:
Сенчик М.М.
Школа физиков “Спектр”
с. Богашево
2017г.
Актуальность темы: Я живу в поселке Аэропорт в Томском районе, отопление в моей квартире центральное. Самим большим недостатком является дороговизна. В индивидуальном доме можно сделать газовое отопление, но она также не везде удобно: нужно подводить газ, что очень дорого, дорожает и сам газ. С 2000 до 2017 гг. газ подорожал в 10 раз. Необходим поиск альтернативных источников отопления. Таковым неисчерпаемым источником является тепло земли которое можно взять с помощью теплового насоса.
Цели: Подготовить модель отопления индивидуального дома с помощью тепла земли.
Задачи:
1) Изучить принцип работы бытовых холодильников.
2) Изучить законы термодинамики, на которых базируется принцип действия холодильных установок.
3) Изучить имеющуюся практику применения «холодильника наоборот» для отопления жилья и учреждений.
Оглавление:
1.Введение…………………………………………………………………..4стр.
2.Устройство тепловой машины, холодильника, теплового насоса…...5стр.
3.Теоретическая часть……………………………………………………...9стр.
4. Практика применения тепловых насосов……………………………..14стр.
5. Список использованной литературы……………………..……………20стр.
Истина всегда оказывается проще, чем
Можно было предположить.
(Фейнман Р.)
Введение
Каждому из нас известны способы извлечения внутренней энергии с последующим преобразованием ее в тепло, механическую работу и т.д. В данной работе нас интересует первое. На традиционных э/станциях сжигают уголь, газ, получая электроэнергию и нагревая воду, которая обогревает наше жилище. Есть нетрадиционные возобновляемые источники электроэнергии (ветер, вода, свет, тепло Земли), энергия которых может быть также превращена в тепло.
В каждой квартире имеется холодильник. Внимательный наблюдатель знает, что решетка, находящаяся с обратной стороны холодильника, всегда теплая при его работе. Откуда же берется это тепло? Оказывается «забирается» у продуктов, находящихся в холодильнике.
Чтобы охладить бутылку минеральной воды, Вы ее ставите в холодильник. Холодильник должен «забрать» у бутылки часть тепловой энергии и, согласно закону сохранения энергии, ее куда-то переместить, отдать. Холодильник переносит теплоту на радиатор, обычно расположенный на задней его стенке. При этом радиатор нагревается, отдавая свое тепло в помещение. Фактически он отапливает помещение. Теоретической основой работы холодильников является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. Более того основная передача тепла, а точнее «отбор» тепла, основана на так называемых фазовых переходах (испарение и конденсация). Создание холодильника, использующего только цикл Карно, возможно, но требует более значительных затрат. Пофантазируем. Будем подкладывать теплые продукты в холодильник, а он будет, охлаждая их, нагревать воздух в помещении. Пойдем дальше. Расположим холодильник в оконном проеме открытой дверкой «морозилки» наружу. Радиатор холодильника будет находиться в помещении. В процессе работы холодильник будет охлаждать воздух на улице, перенося в помещение «забранную» теплоту. Так работает так называемый тепловой насос, забирая рассредоточенное тепло у окружающей среды и перенося его в помещение. Тепловые насосы или холодильники наоборот входят в наш быт все больше и больше. Тепловые насосы не только могут согревать дома, школы, но и остужают окружающий воздух, грунт, воду в водоемах, многие из которых перегреты промышленными стоками. Охлаждая водоем, мы создаем более приемлемые условия для жизни живых организмов и рыб, т.к. в более холодной воде растворяется больше кислорода так необходимого им. В этом смысле тепловые насосы очень перспективны не только для отопления, но и спасения окружающей среды от «теплового загрязнения».
Устройство тепловой машины, холодильника, теплового насоса.
Останавливаться на устройстве тепловой машины подробно нет необходимости, поскольку эта тема достаточно подробно рассматривается в курсе физики средней школы. Примерами тепловых двигателей являются:
· Давно ушедший в историю паровой двигатель.
· Паровая турбина.
· Двигатель внутреннего сгорания.
· Реактивный двигатель и пр.
Для любого теплового двигателя необходимо три элемента:
· Нагреватель.
· Рабочее тело.
· Холодильник.
Принципиальная схема холодильника приведена ниже:
1.Конденсатор – устанавливается на задней стенке холодильника. Это теплообменный аппарат для отвода тепла от конденсирующихся паров фреона окружающей среде. В нашем случае комнате.
2.Капиллярная трубка – медная трубка длиной 1,5 – 3м. и внутренним диаметром 0,6 – 0,85мм. Предназначена для снижения давления в испарителе (холодильная камера – 4).
3. Мотор - компрессор
4.Испаритель (холодильная камера) – предназначен для охлаждения содержимого холодильной камеры.
5.Фильтр – осушитель – медная трубка диаметром 18-12мм. Назначение - поглощение влаги и твердых частиц из фреона.
6.Обратная трубка.
Рассматривать отдельно устройство теплового насоса так же нет необходимости, поскольку это тот же холодильник.
Действие теплового двигателя, холодильника и теплового насоса основано на одних и тех же термодинамических закономерностях, и их целесообразно рассмотреть с единых позиций.
Теоретическая часть
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на приведенном рисунке.
Рис.1 Цикл Карно
А˃0 
А<0
Некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя, имеющего постоянную температуру Т1, передается рабочему телу. В результате процессов, происходящих с рабочим телом, часть этого количества теплоты, равная Q1- 
Q2, идет на совершение этим телом механической работы А, а остальное количество теплоты Q2 передается холодильнику, имеющему более низкую по сравнению с нагревателем температуру Т2.
КПД(η) теплового двигателя, по определению, представляет собой отношение совершаемой двигателем работы А к получаемому от нагревателя количеству теплоты Q1:
η = 
(1)
Если тепловой двигатель работает по циклу идеальной (обратимой) тепловой машины (по циклу Карно), то в соответствии со II законом термодинамики его КПД зависит только от температур нагревателя и Т1,и холодильника Т2:
η maх =1- Т2/Т1 (2)
КПД реального теплового двигателя с заданными температурами нагревателя и холодильника не может превышать КПД идеальной тепловой машины:
η =1- 
1- Т2/Т1 (3)
Сделаем на основе формул(1,2,3) некоторые выводы:
· А = Q1 - Q2 (4) – работа теплового двигателя А равна разности количеств теплоты Q1 и Q2 на основании закона сохранения энергии или I закона термодинамики. Неизбежность передачи Q2 холодильнику обусловлена II законом термодинамики, содержание которого отражено в формуле (3). Из (3), путем преобразований, следует соотношение, которое называется неравенством Клаузиуса:
Q1/Т1- Q2/Т2 0 (5)
Знак равенства в (5) соответствует обратимым процессам.
В формулах (1),(3)-(5) Q1 и Q2,будут положительными, т.к. тепло
подводится. В противном случае минус.
Подставляя в (5) из (4) вначале Q2, потом Q1, получим:
А Q1 (1-Т2/Т1) и А Q2 (Т1/Т2 – 1) (6)
· КПД теплового двигателя определяется по формуле (1)
В холодильной машине (холодильник) все процессы происходят в направлении, обратном тому, которое характерно для тепловых двигателей. Принципиальная схема холодильной машины приведена на рисунке.
Рис.2
За счет совершения механической работы А от резервуара с более низкой температурой Т2 отнимается некоторое количество теплоты Q2. При этом резервуару с более высокой температурой Т1 передается количество теплоты Q1, равное сумме А + Q2. Горячий резервуар – это окружающая среда, тот же воздух в комнате.
Для холодильника, в соотношениях (5) и (6), знак неравенства должен быть заменен на противоположный. Имеем ввиду, что Q1 отводимое тепло от рабочего тела (Q1<0), Q2 - подводимое к рабочему телу тепло(Q2>0), А – работа, совершаемая над рабочим телом (A>0).
Для характеристики работы холодильника наибольший интерес представляет Q2. Найти его можно с помощью 2-го уравнения (6). Учтем, что А>0, Q2>0.Получаем:
Q2 А {1/ (Т1/Т2-1)} (7)
Знак равенства соответствует обратимому процессу.
График зависимости Q2 от температуры окружающей среды (Т1) для обратимого процесса изображен на ниже приведенном рисунке. Из рисунка приТ1>>Т2 количество теплоты Q2 0, но при малой разности температур Т1- Т2 отношение Q2/А может принимать большие значения. Таким образом эффективность холодильника при Т1стремящемся к Т2 может быть весьма велика, т.к. Q2 может значительно превышать работу А (работа компрессора).
Рис.3
Величина равная отношению Q2 к работе внешних сил А получила название холодильный коэффициент 
, т.е. = Q2/А. Следует иметь ввиду, что Q2 тепло взятое от охлаждаемого тела. Из формулы (7) следует:
= Q2 / А 1/(Т1/Т2-1) (8)
В отличие от КПД теплового двигателя (1) холодильный коэффициент может принимать значения, больше единицы. Из (8) видно, что тем больше, чем меньше различаются температуры Т1 и Т2.
Принципиальная схема теплового насоса идентична схеме холодильной машине (см.рис.2). Суть работы теплового насоса заключается в следующем: тепло отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару, т.е. комнате. В отличие от холодильной машины для теплового насоса важно не Q2 (взятое тепло у холодного резервуара), а Q1 - тепло полученное горячим резервуаром. Преобразуем 1-ю формулу (6), выразим Q1:
Q1 А/(1-Т2/Т1) (9)
График этой зависимости (Q1 и Т1) изображен на рис.4.
Рис.4
При Т1>>Т2 имеем Q1 А; При малой разности Т1-Т2 количество теплоты, передаваемое Q1 может значительно превышать А. В этом случае становятся совершенно очевидными преимущества использования теплового насоса по сравнению с работой электрического тока при превращении ее во внутреннюю энергию отапливаемого помещения (в тепловом насосе полученное Q1 значительно больше А, а во втором случае Q или равно, или вероятнее всего меньше А по понятным причинам). Эффективность теплового насоса оценивается, как отношение Q1/А. Эта величина называется отопительным коэффициентом ( отоп). Используя первую формулу (6) получим:
отоп = Q1/А 1/ (1 – Т2/Т1) (10)
4. Практика применения тепловых насосов.
Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Уильямом Томсоном (Лордом Кельвином) и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером (Peter Ritter von Rittinger). Петера Риттера фон Риттингера считают изобретателем теплового насоса, ведь именно он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) экспериментировал с морозильной камерой. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно, поэтому Вебер усовершенствовал своё изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал своё тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.
В 40-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нём возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению.
Типы тепловых насосов.
Принципиальная схема теплового насоса. Внешний вид теплового насоса.
Тепловые насосы различаются по типам (первое слово означает, откуда берется энергия, а второе – чем обогревается здание).