Как найти кпд в холодильнике - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Коэффициент полезного действия – очень важная характеристика, которая одной из первых учитывается при приобретении оборудования. Это параметр работы любого устройства, для которого особое значение имеет эффективность преобразования энергии.

По определению, полезность оборудования определяется формулой соотношения полезно используемой энергии к максимальной и выражается в виде коэффициента η (эта).

Это в упрощенном понимании и есть искомый коэффициент, КПД холодильника и нагревателя, который можно найти в любой технической инструкции.

Содержание

Коэффициент полезного действия холодильника
При этом нужно знать некоторые технические моменты
Коэффициент полезного действия устройства и комплектующих
Показателем эффективности работы
НЕМНОГО ФИЗИКИ

Коэффициент полезного действия холодильника

При этом нужно знать некоторые технические моменты

Условно можно сказать, что ее внутренний объем представляет собой резервуар с холодным воздухом, а окружающая среда имеет более высокую температуру. Для отведения теплоты из внутреннего пространства во внешнюю среду используется электрическая энергия. Коэффициент полезного действия будет зависеть от протекающих процессов. Поэтому КПД холодильной машины – это отношение выработанного холода к затраченной работе.

Коэффициент полезного действия устройства и комплектующих

Коэффициент полезного действия холодильника рассматривается как КПД установленного компрессора или двигателя.

КПД двигателя вашего холодильного устройства связан с мощностью и энергопотреблением. Очевидно, что чем меньше коэффициент, тем больше количество электричества модель потребляет, тем менее оно эффективно. То есть максимальный коэффициент можно косвенно определить по классу энергопотребления – А+++.

Рабочее тело холодильной машины называют хладагентом. Мы условно будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент – это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации). Холодильник в холодильной машине – это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты, в результате чего газ расширяется. В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу – нагревателю.

Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы, совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)).

Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника. Основное назначение холодильной машины – охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда – в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

ПРИМЕР: холодильник Ariston MB40D2NFE (2003), в котором установлен фирменный компрессор Danfoss NLE13KK.3 R600a, с мощностью 219W при рабочих температурных условиях -23.3°C. В случае с холодильными компрессорами может зависеть от параметра RC (рабочий конденсатор, run capacitor), в нашем случае равен 1.51 (без RC, -23.3°C) и 1.60 (с RC, -23.3°C). Эти данные можно найти в технических параметрах. Влияние конденсатора на работу устройства в том, что он позволяет быстрее достигнуть рабочей скорости и, таким образом, повысить его полезное действие.

Показателем эффективности работы

холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника. Часто люди путают два совершенно разных понятия – коэффициент полезного действия и холодильный коэффициент. Эти параметры можно легко отличить. КПД не может быть выше 100% или единицы. Он измеряется в процентах или дробных величинах. Значение холодильного коэффициента никогда не измеряется только в безразмерных величинах и чаще всего составляет больше единицы – эффективные агрегаты могут похвастаться показателем около трех.

Среднее значение КПД большинства современных компрессоров составляет порядка 60-70%. Чем выше, тем лучше. С вентиляторами вопрос с КПД также остается актуальным. Специалисты рекомендуют по возможности останавливать выбор с ЕС-двигателем, так как они считаются самыми эффективными из всего предлагаемого ассортимента. В реальных холодильниках холодильный коэффициент принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение – нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда – холодильником. Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника. Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

НЕМНОГО ФИЗИКИ

Работа холодильника не опровергает второй закон термодинамики, а протекает в полном соответствии с ним. Холодильник и воздух комнаты не составляют замкнутой системы. Холодильник необходимо подключить к электрической сети. Электрическая энергия с помощью электродвигателя превращается в механическую энергию, затем механическая энергия в результате работы компрессора холодильника превращается, в конечном счете, в энергию теплового движения молекул деталей холодильника и окружающих его тел. Следовательно, переход тепла от холодного тела к горячему не является единственным результатом работы холодильника, так как этот процесс сопровождается превращением энергии электрического тока в энергию теплового движения КПД холодильной машины.

В реальных холодильных машинах в качестве холодного резервуара выступает морозильная камера, в качестве «горячего» резервуара – воздух в помещении, в качестве рабочего тела – хладагент который циркулирует в закольцованной системе трубок, в качестве источника внешней работы – электродвигатель, подключенный к электрической сети, из которой и черпается энергия для работы холодильника. Чтобы поддерживать постоянной температуру в морозильной камере, нужно отнимать у нее тепло, которое просачивается извне в результате необратимого теплообмена. Избыток энтропии рабочего вещества выбрасывается в окружающую среду вместе с теплом.

В любом случае задачу подбора оборудования, расчетов коэффициента полезного действия и холодопроизводительности лучше оставить специалистам. Так как самостоятельно просчитать все необходимые параметры не имея специального образования будет крайне тяжело.

Источник

Одним из важных параметров работы любого устройства, для которого особое значение имеет эффективность преобразования энергии, является коэффициент полезного действия. По определению, полезность оборудования определяется формулой соотношения полезно используемой энергии к максимальной и выражается в виде коэффициента η. Это в упрощенном понимании и есть искомый коэффициент, КПД холодильника и нагревателя, который можно найти в любой технической инструкции. При этом нужно знать некоторые технические моменты.

Холодильник

Коэффициент полезного действия устройства и комплектующих

Коэффициент полезного действия, который интересует чаще читателей, будет касаться не всего холодильного устройства. Чаще всего – установленного компрессора, который обеспечивает нужные параметры охлаждения, или двигателя. Именно поэтому, задаваясь вопросом, какой КПД холодильника, рекомендуем поинтересоваться установленным компрессором и количеством процентов.

Компрессор холодильника

Лучше этот вопрос рассмотреть на примере. Например, имеется в наличии холодильник Ariston MB40D2NFE (2003), в котором установлен фирменный компрессор Danfoss NLE13KK.3 R600a, с мощностью 219W при рабочих температурных условиях -23.3°C. В случае с холодильными компрессорами может зависеть от параметра RC (рабочий конденсатор, run capacitor), в нашем случае равен 1.51 (без RC, -23.3°C) и 1.60 (с RC, -23.3°C). Эти данные можно найти в технических параметрах. Влияние конденсатора на работу устройства в том, что он позволяет быстрее достигнуть рабочей скорости и, таким образом, повысить его полезное действие.

Компактный холодильник

Коэффициент полезности компрессора выше 1 – как и почему?

Часто вопрос полезного коэффициента действия волнует людей, которые немного помнят школьный курс физики, и не могут понять, почему полезное действие больше 100%. Этот вопрос требует небольшого экскурса в физику. Вопрос касается, может ли коэффициент полезности теплового генератора быть больше 1?

Компрессор с указанными параметрами

Этот вопрос среди профессионалов явно был поднят в 2006 году, когда в «Аргументах и фактах» номер 8 было опубликовано, что вихревые теплогенераторы способны давать 172%. Несмотря на отголоски знаний по курсу физики, где КПД всегда меньше 1, такой параметр возможен, но при определенных условиях. Речь идет именно о свойствах цикла Карно.

В 1824 году французским инженером С. Карно был рассмотрен и описан один круговой процесс, который впоследствии сыграл решающую роль в развитии термодинамики и использовании тепловых процессов в технике. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.

Он совершается газом в цилиндре с поршнем, а коэффициент полезности выражается через параметры нагревателя и холодильника и составляет соотношение. Особенностью является тот факт, что тепло может переходить между теплообменниками и без совершения работы поршнем, по этой причине цикл Карно считается самым эффективным процессом, который можно смоделировать в условиях необходимого теплообмена. Иными словами полезное действие холодильной установки при реализованном цикле Карно будет самым высоким или точнее сказать максимальным.

Камера холодильника

Если эту часть теории помнят многие из школьного курса, то остальное часто теряется за кадром. Основной смысл в том, что данный цикл может быть пройден в любом направлении. Тепловой двигатель обычно работает по прямому циклу, а холодильные установки – по обратному, когда теплота уменьшается в холодном резервуаре и передается горячему за счет внешнего источника работы – компрессора.

Ситуация, когда коэффициент полезности больше 1, возникает, если он вычисляется из другого коэффициента полезности, а именно соотношением W(полученной)/W(затраченной) при одном условии. Оно состоит в том, что под затраченной энергией понимается только полезная энергия, которая используется на реальные затраты. В итоге, в термодинамических циклах тепловых насосов можно определить затраты энергии, которые будут меньше объема производимой теплоты. Таким образом, при полезном оборудования меньше 1, КПД теплового насоса может быть больше.

Термодинамический коэффициент полезного действия всегда меньше 1

В холодильных (тепловых) машинах по формуле обычно рассматривается термодинамический КПД и холодильный коэффициент. В холодильных агрегатах этот коэффициент подразумевает эффективность цикла получения полезной работы при подводе к рабочему устройству теплоты от внешнего источника (теплоотдатчика) и отводе на другом участке цепи тепла с целью передачи другому внешнему приемнику.

Две модели холодильника

В совокупности рабочее тело совершает два процесса – расширения и сжатия, которым соответствует параметр работы. Наиболее эффективным устройством считается, когда подведенная теплота меньше отведенной – тем будет более выраженной эффективность цикла.

Степень совершенства термодинамического прибора, преобразовывающим теплоту в механическую работу, оценивается термическим коэффициентом в процентах, который может интересовать в данном случае. Термический КПД обычно составляет и показывает, какое количество тепла нагревателя и холодильника машина преобразует в работу в конкретных условиях, которые считаются идеальными. Значение термического параметра всегда меньше 1 и не может быть выше, как это в случае с компрессорами. При 40° температуре устройство будет работать с минимальной эффективностью.

В итоге

В современных бытовых холодильных установках применяется именно обратный процесс Карно, при этом температура холодильника можно определить в зависимости от количества теплоты, переданного от нагревающего элемента. Параметры охлаждающей камеры и нагревателей могут быть на практике совершенно разными, а также зависящими от внешней работы двигателя с компрессором, имеющим свой параметр полезности действия. Соответственно, данные параметры (КПД холодильника в процентах) при принципиально одинаковом термодинамическом процессе, будут зависеть от технологии, реализованной производителем.

Так как по формуле коэффициент полезности зависит от температур теплообменников, то в технических параметрах указывается, какой процент полезности можно получить при некоторых идеальных условиях. Именно эти данные можно использовать для сравнения моделей разных марок не только по фото, в том числе, работающих в нормальных условиях или при жаре до 40°.

Источник

Рис. 1. Холодильная машина

Отдельным подвидом тепловых машин являются, так называемые, холодильные машины. Холодильная машина — тепловая машина, работающая по обратному циклу, т.е. круговому циклу, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу. Визуализации таких машин условно одинакова (рис. 1).

Классически, холодильная машина состоит нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов может инженерно выглядит как угодно, рабочее тело чаще всего газ. Рабочее тело, совершая работу ( $displaystyle {{Q}_{2}}$ ), забирает энергию у холодильника ( $displaystyle {{Q}_{1}}$ ) и передаёт её нагревателю ( $displaystyle {{Q}_{1}}$ ). Нагревателем в данной системе также может быть окружающее пространство. Примером такой холодильной машины может служить обычных домашний холодильник. Электрический ток совершает работу по охлаждению внутренней камеры холодильника, передавая избыток теплоты на внешний радиатор (ребристая стенка из прутьев на задней стенке холодильника).

Тогда, исходя из закона сохранения энергии:

$displaystyle A+{{Q}_{2}}={{Q}_{1}}$ (1)

где

Аналогом КПД (коэффициента полезного действия) для холодильной установки является холодильный коэффициент. Логика у него точно такая же: отношение полезной работы к затраченной. Полезной теплотой в нашей системе является (т.к. нам необходимо охладить тело), тратим вы внешнюю работу ( displaystyle A ). Тогда:

$displaystyle k=frac{{{Q}_{2}}}{A}=frac{{{Q}_{2}}}{{{Q}_{1}}-{{Q}_{2}}}$ (2)

где
- — холодильный коэффициент машины.

Вывод: задачи на холодильную машину вводятся именной этой фразой. Единственное соотношение, которое может помочь в решении таких задач, это соотношение (1). Поиск соответствующих энергий чаще всего вопрос первого начала термодинамики и анализа процессов.

Источник

Article Summary & FAQs

What is the coefficient of performance of a refrigerator or an air conditioner?

The coefficient of performance, COP, of a refrigerator is defined as the heat removed from the cold reservoir Q_cold (i.e., inside a refrigerator) divided by the work W done to remove the heat (i.e., the work done by the compressor). The COP strongly depends on outside temperature and required indoor temperature. For temperature difference of about 25°C (45 – 20), the COP may be about 2.5, while for the difference of about 8 °C (30 – 22), the COP may reach 3.5.

Key Facts

The operating principle of refrigerators, air conditioners, and heat pumps is the same, and it is just the reverse of a heat engine.
In simple words, a heat pump consumes work (electric energy) and removes heat from one side, and gives this heat to the other side.
From an economic point of view, the best refrigeration cycle is one that removes the greatest amount of heat from the inside of the refrigerator (cold reservoir) for the least expenditure of mechanical work or electric energy.
The COP characterizes the amount of heat removed from the cooler.
The COP for cooling mode is less than for heating mode because the work done by the compressor is utilized only during the heating mode.
The COP strongly depends on outside temperature and required indoor temperature. For temperature difference of about 25°C (45 – 20), the COP may be about 2.5, while for the difference of about 8 °C (30 – 22), the COP may reach 3.5.
The efficiency of air conditioners is often rated by the seasonal energy efficiency ratio (SEER), which is defined by the Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute in its 2008 standard AHRI 210/240.

Is the COP constant?

Is the COP constant?

No, the COP strongly depends on outside temperature and required indoor temperature. For temperature difference of about 25°C (e.g., 45 – 20°C), the COP may be about 2.5, while for the difference of about 8 °C (e.g., 30 – 22°C), the COP may reach 3.5.

Is higher coefficient of performance better?

Is a higher coefficient of performance better?

Sure, higher COP means more cooling performance per unit of electricity. That’s better.

How do you calculate coefficient of performance?

How do you calculate the coefficient of performance?

You cannot calculate the COP. To calculate COP, you have to know power input and cooling output, which is not simple to calculate. The manufacturer usually gives the COP.

In general, the thermal efficiency, η_th, of any heat engine as the ratio of the work it does, W, to the heat input at the high temperature, Q_H.

The thermal efficiency, η_th, represents the fraction of heat, Q_H, that is converted to work.

Heat Pump, Refrigerator, Air Conditioner – basic principle of operation

But in heat pumps and refrigerators, the work is not output. For refrigeration or heat pumps, thermal efficiency indicates the extent to which the energy added by work is converted to net heat output. From an economic point of view, the best refrigeration cycle is one that removes the greatest amount of heat from the inside of the refrigerator (cold reservoir) for the least expenditure of mechanical work or electric energy. The relevant ratio is, therefore, the larger this ratio, the better the refrigerator. We call this ratio the coefficient of performance, denoted by COP.

The coefficient of performance, COP, is also defined for heat pumps, but at this point, we follow the net heat added to the hot reservoir. The COP usually exceeds 1, especially in heat pumps, because, instead of just converting work to heat, it pumps additional heat from a heat source to where the heat is required.

In general, COP is highly dependent on operating conditions, especially absolute temperature and relative temperature between heat sink and system.

Coefficient of Performance – Refrigerator, Air Conditioner

The coefficient of performance, COP, of a refrigerator is defined as the heat removed from the cold reservoir Q_cold (i.e., inside a refrigerator) divided by the work W done to remove the heat (i.e., the work done by the compressor).

As can be seen, the better (more efficient) the refrigerator is when more heat Q_cold can be removed from the inside of the refrigerator for a given amount of work. Since the first law of thermodynamics must be valid also in this case (Q_cold + W = Q_hot), we can rewrite the above equation:

For an ideal refrigerator (without losses and irreversibilities) can be derived that:

These formulas are also applied for an air conditioner, which works very much like a refrigerator.

On the other hand, the COP for heating and cooling are different.

Coefficient of Performance – Heat Pump

The COP is the ratio of the heat added to the system (hot reservoir) for heating. Using the first law of thermodynamics, define COP also as the heat removed from the cold reservoir plus the input work to the input work.

For an ideal heat pump (without losses and irreversibilities) can be derived that:

These equations must use an absolute temperature scale (T_cold, T_hot), and it is only a theoretical maximum efficiency. According to the above formula, the maximum achievable COP for T_hot = 35 °C (308 K) and T_cold = 0 °C (273 K) would be 8.8. But in reality, the best systems are around 4.5.

As can be seen, the COP of a heat pump system can be improved by reducing the temperature difference (T_hot – T_cold). Therefore, reducing the output temperature (T_hot) is very efficient but requires very efficient heat transfer from the heat pump system to surroundings (i.e., use of piped floor). An increase in the input temperature (T_cold) means, for example, an oversized ground source of heat.

Example – Heat Pump – Heating and Air Conditioning

A reversible heat pump has a coefficient of performance COP = 3.0 when operated in the heating mode. Its compressor consumes 1500 W of electric energy.

Calculate the amount of heat (Q_hot) the heat pump can add to a room?
If the heat pump were turned to the cooling mode (i.e., to act as an air conditioner in the summer), what would you expect its coefficient of performance to be? Assume all else stays the same and neglect all other losses.

Solution:

From the COP, which is defined as:

the amount of heat the heat pump can add to a room is equal to:

Q_hot = COP_heating x W = 3 x 1500 = 4500 W or 4500 J/s

In the case of the cooling mode, the heat pump (air conditioner) with a 1500 W motor can take heat Q_cold from inside the house and then dump Q_hot = 4500 W to the hot outside. Using the first law of thermodynamics, which states:

Q_cold + W = Q_hot,

we obtain the heat, Q_cold = 3000 W. From the definition: COP_cooling = 3000/1500 = 2.

Note that, in this example we have many assumptions. For example, we assumed that the temperature difference (T_hot – T_cold) is the same for both modes. But we have swapped reservoirs, without any impact on COP. It is only an illustrative example.

References:

Nuclear and Reactor Physics:

J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Reactor Theory, 2nd ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
J. R. Lamarsh, A. J. Baratta, Introduction to Nuclear Engineering, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
W. M. Stacey, Nuclear Reactor Physics, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0- 471-39127-1.
Glasstone, Sesonske. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4th edition, 1994, ISBN: 978-0412985317
W.S.C. Williams. Nuclear and Particle Physics. Clarendon Press; 1 edition, 1991, ISBN: 978-0198520467
Kenneth S. Krane. Introductory Nuclear Physics, 3rd Edition, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
G.R.Keepin. Physics of Nuclear Kinetics. Addison-Wesley Pub. Co; 1st edition, 1965
Robert Reed Burn, Introduction to Nuclear Reactor Operation, 1988.
U.S. Department of Energy, Nuclear Physics and Reactor Theory. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. January 1993.

Advanced Reactor Physics:

K. O. Ott, W. A. Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, Revised edition (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
K. O. Ott, R. J. Neuhold, Introductory Nuclear Reactor Dynamics, American Nuclear Society, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
D. L. Hetrick, Dynamics of Nuclear Reactors, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
E. E. Lewis, W. F. Miller, Computational Methods of Neutron Transport, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

Other References:

Diesel Engine – Car Recycling

See above:

Heating and Air Conditioning

Источник

Буздин А.И. Тепловой насос //Квант. — 1986. — № 11. — С. 19-20.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Все мы привыкли к электрическим нагревателям. Достаточно включить такой нагреватель в сеть, и через некоторое время в комнате становится теплее — энергия электрического тока в нем превращается в тепло. Электрический нагреватель очень прост в устройстве и по существу представляет собой нагревательную спираль — резистор. Превращение электрической энергии в тепло осуществляется практически полностью, за исключением той небольшой доли энергии, которая идет на световое излучение, если спираль достаточно раскалена и светится. Кстати, с этой точки зрения электрическая лампочка не такой хороший нагреватель, как скажем электрокамин, так как у нее несколько процентов мощности уходит в виде светового излучения. Но все-таки, как ни странно, она скорее нагреватель, чем источник света, то есть она в основном греет, а не светит.

Казалось бы, электрический нагреватель идеально справляется со своей задачей, преобразуя практически всю энергию тока в необходимое тепло. А нельзя ли нам, затратив некоторую энергию, получить тепла, скажем, в два раза больше и тем самым сэкономить расходы на нагревание? На первый взгляд, это абсолютно невозможно и противоречит закону сохранения энергии. Однако не будем торопиться и попробуем разобраться в этом вопросе подробнее. И начнем с … холодильной машины, а попросту — холодильника.

Холодильник отбирает тепло от внутренней емкости, где поддерживается низкая температура, и отдает его в комнату. Сам по себе такой процесс идти не может. Тепло не может перейти само собой от холодного тела. к горячему (это одна из формулировок второго начала термодинамики).

«Обратная» теплопередача требует постоянного подвода энергии — работы компрессора холодильника. Детали устройства холодильника нам не существенны, но заметим, что для его функционирования всегда необходима энергия.

Пусть в результате совершения работы А холодильник отобрал у морозильной камеры количество теплоты Q₂. Тогда, согласно закону сохранения энергии, в комнате выделилось количество теплоты Q₁ = Q₂ + A. Понятно поэтому, что при работе холодильника, даже с открытой дверцей, в комнате становится теплее.

Попробуем найти коэффициент полезного действия холодильника. Но прежде вспомним о тепловом двигателе, принцип устройства и работы которого точно такой же, как и у холодильной машины. По существу холодильная машина это тепловой двигатель, работающий по обратному циклу.

Как вы знаете, рабочее тело двигателя (рис. 1) получает от нагревателя количество теплоты Q₁, совершает работу А’ и отдает холодильнику (не путайте с холодильной машиной!) количество теплоты Q₂ < Q₁. Максимальный коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя равен

(~eta_{max} = frac{A’}{Q_1} = frac{Q_1 — Q_2}{Q_1} = frac{T_1 — T_2}{T_1}) .

где T₁ — температура нагревателя, а T₂ — температура холодильника.

Рис. 1

КПД холодильника η_x определяется отношением количества теплоты, отбираемого у морозильной камеры, к необходимой для этого работе. Для идеального холодильника он равен (рис. 2)

(~eta_{x max} = frac{Q_2}{A} = frac{Q_2}{Q_1 — Q_2} = frac{T_2}{T_1 — T_2} = frac{1 — eta_{max}}{eta_{max}}) .

Рис. 2

Заметим, что, как следует из этой формулы, холодильный коэффициент может быть больше единицы.

А теперь нетрудно догадаться, как можно использовать холодильник для отапливания помещения в холодное время года — для этого холодильную камеру нужно вынести на улицу (а все остальные части «агрегата» оставить в комнате)! Тогда, совершив работу А (отобрав энергию у электрической сети) и забрав с улицы количество теплоты Q₂, мы передаем в комнату количество теплоты Q₁ = A + Q₂ > A. Понятно, что никакого противоречия с законом сохранения энергии нет — дополнительная энергия в виде тепла отбирается от холодного наружного воздуха.

Холодильная машина, работающая таким образом, и называется «тепловым насосом», поскольку тепло «перекачивается» снаружи вовнутрь комнаты. В результате работы теплового насоса в помещении становится теплее, а на улице — еще холоднее (последний эффект, конечно же, совершенно ничтожен). КПД теплового насоса η_n определяется отношением получаемого помещением количества теплоты к необходимой для этого внешней работе. В идеальном случае он равен

(~eta_{n max} = frac{Q_1}{A} = frac{Q_1}{Q_1 — Q_2} = frac{T_1}{T_1 — T_2} = frac{1}{eta_{max}})

и всегда больше единицы.

В качестве примера рассмотрим случай, когда температура наружного воздуха —20°С (T₂ = 253 К), а внутри дома необходимо поддерживать температуру +20 °С (T₁ = 293 К). Тогда (~eta_n = frac{293}{40} approx 7,3), то есть используя электрическую энергию для работы теплового насоса, мы можем получить в семь раз больше тепла, чем пользуясь электронагревательным прибором. Разумеется, реальный КПД всегда ниже, к тому же двигатель теплового насоса также превращает в работу не всю потребляемую энергию. Однако все равно использование теплового насоса оказывается в несколько раз более рентабельным, чем использование электронагревателя.

По сути дела тепловым насосом является обычный кондиционер: он «откачивает» тепло из комнаты. Если поменять его «вход» и «выход» местами, то в холодное время он может использоваться как экономичный обогреватель.

Почему же, несмотря на существенно большую рентабельность, тепловые насосы еще не заменили электронагревателей? Дело просто в том, что электронагреватель исключительно прост и дешев, а тепловой насос сравнительно сложное, громоздкое и дорогое устройство. Однако со временем тепловые насосы прочно войдут в наш быт и вытеснят расточительные электроотопительные приборы.

Источник