Тепловой насос — «холодильник» наоборот?

Зачастую можно услышать вопрос: есть ли различия между холодильной и теплонасосной установками? Предлагаем разобраться в этой несложной задаче вместе.

Вначале обратимся к стандартам и зафиксированным в них определениям холодильной установки и теплового насоса.

Согласно ГОСТ 24393-80 холодильная установка — «комплекс холодильных машин и дополнительного оборудования, применяемый для искусственного охлаждения». ГОСТ 26691-85 определяет, что тепловой насос — «устройство для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла».

В относительно недавнем ГОСТ EN 378-1-2014 холодильные и теплонасосные системы объединены в единое понятие: «...холодильная система (тепловой насос) [systeme de refrigeration (pompe а chaleur)]: сборка взаимосвязанных частей, содержащих хладагент и объединённых в замкнутый контур, внутри которого циркулирует хладагент с целью отбора или подвода теплоты (то есть охлаждения или нагрева)».

Такое объединение абсолютно закономерно. Как холодильные, так и теплонасосные установки представляют собой термотрансформаторы — устройства, работающие по обратному термодинамическому циклу и служащие для переноса теплоты от объектов с  низкой температурой к объектам с высокой температурой, то есть, в направлении обратном ее естественному перетеканию. С этой точки зрения любой холодильник можно считать тепловым насосом (термин, впервые введенный В. Томсоном (лордом Кельвином) ещё в середине позапрошлого века).

Как известно, цель применения холодильной установки состоит в отводе теплоты Q₀ от обьектов при температуре ниже температуры окружающей среды Т_ос. При этом теплота Q₀, подведенная к установке от охлаждаемого объекта, и затраченная работа L_км выбрасываются в виде обесцененной теплоты при Т_ос в окружающую среду. В большинстве случаев при расчетах холодильных установок Т_ос принимают близкой 30 °С или несколько выше в зависимости от климата, в котором их предполагается применять. Что же касается значения Т_ос для тепловых насосов, то в этом случае ее значение принимают равным температуре среды, служащей бесплатным источником теплоты, например, грунта, сточных вод и т.д.

Цель применения теплового насоса заключается в подводе теплоты Q_к к нагреваемому объекту при температуре теплоприемника Т_в  выше Т_ос. При этом Q_к складывается из теплоты, подведенной к установке от окружающей среды и работы, затраченной в цикле.

Таким образом одно из различий холодильной установки и теплового насоса состоит в том, что в первом случае величина работы, подводимой в цикле, представляет собой часть теплоты, бесполезно сбрасываемой в окружающую среду, в то время как во втором — она становится частью полезного эффекта.

Рисунок 1. а — холодильная установка; б —теплонасосная установка; в — комбинированная  установка; Т_н — температура теплоотдатчика; Т_в — температура теплоприемника; Т_ос — температура окружающей среды; КМ — компрессор, К — конденсатор, ДР — дроссель, И —испаритель.

В случае необходимости чётко определить уместность применения терминов «холодильная установка» и «тепловой насос» следует рассмотреть условия применения той или иной установки, точнее, условия ее взаимодействия с окружающей средой.

На рисунке 1 показаны схемы парокомпрессионных трансформаторов тепла, с помощью которых осуществляются процессы: холодильный (а), теплонасосный (б) и комбинированный (в). Как известно, парокомпрессионный трансформатор тепла состоит из четырёх базовых элементов: компрессора, конденсатора, дросселя и испарителя.

Процессы переноса теплоты от менее нагретых объектов или сред к более нагретым классифицируются обычно в зависимости от положения температур подвода Т_н и отвода Т_в теплоты (теплоприемников и теплоотдачиков) по отношению к температуре окружающей среды Т_ос. 

В том случае, когда температура теплоприемника ниже окружающей среды, т.е. Т_н < Т_ос, а температура теплоотдачика равна температуре окружающей среды, т.к. Т_в = Т_ос, процесс называют холодильным. При Т_н = Т_ос и Т_в > Т_ос цикл называют теплонасосным, при Т_н < Т_ос и Т_в > Т_ос цикл называют комбинированным. 

В общем случае справедливо употреблять термин тепловой насос к парокомпрессионным установкам, которые работают на обогрев, а термин холодильные установки к тем трансформаторам тепла, для которых первоочередным является отвод энергии от охлаждаемого объекта. Но и назвав холодильную установку термином тепловой насос, вы не допустите ошибку.

Автор: Елена Серова, к.т.н.

Редакция: команда Академии КриоФрост

Литература:

1. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб.пособие для вузов. — 2-е изд, перераб. — М., Энергоиздат, 1981. — 320 с., илл.