Тепло, еще теплее!

Мало кто, наверное, задумывался, во сколько обходятся долгие зимние холода. Тем не менее, у средней сельской семьи на протяжении жизни одного поколения затраты на отопление приближаются к стоимости дорогого автомобиля. А потому есть резон попытаться эти затраты снизить.

Мы уже рассказывали, что тепло для отопления дома можно брать из окружающей среды, используя для этого старый домашний холодильник (см. «ЮТ» № 10–03). На его работу тратится электроэнергия, но по сравнению с обычным электрическим отоплением расход ее снижается в несколько раз.

На том же принципе работают домашние кондиционеры. Летом они вырабатывают холод, а зимою переключаются на режим теплового насоса и дают тепло с двукратной экономией электроэнергии. Если холодильник в качестве обогревателя слабоват, то кондиционер пока все же предмет роскоши. Сегодня, как обещали, мы рассказываем о воздушном тепловом насосе, который тоже может играть роль нагревателя, хотя в нем нет фреона.

Вы знаете, что воздух при сжатии нагревается. Вот как это явление можно применить для экономичного отопления дома (рис. 1).

Рис. 1.

1 — охлаждаемая часть контура; 2 — калорифер; 3 — эксцентрик.

Компрессор сжимает уличный воздух и направляет его в калорифер. Полученное при сжатии воздуха тепло отдается комнате. Воздух же при этом охлаждается, уменьшается в объеме, но давление его остается прежним, а значит, он еще способен совершать работу. Поэтому его направляют в детандер — пневматический двигатель, находящийся на одном валу с компрессором. Он вращается за счет расширения воздуха и тем самым помогает мотору. От этого мощность, необходимая для сжатия порции воздуха, уменьшается, а количество теплоты, поступающей в комнату, оказывается больше электроэнергии, взятой электродвигателем от сети.

Сей факт, неоднократно подтвержденный работой промышленных установок, может навести на мысль о нарушении закона сохранения энергии. Но это не так. Воздух в детандере расширяется, совершает работу и за счет этого охлаждается. Температура его оказывается ниже, чем у воздуха, взятого с улицы. Но охлаждение есть не что иное, как потеря тепла. В данном случае тепло не исчезло бесследно, а после всех преобразований поступило к нам в комнату. За счет него и образовалась та прибыль тепловой энергии, которая перекрыла затраты на привод компрессора.

Иными словами, уличный воздух, пройдя через тепловой насос, часть своего тепла отдал комнате. Никакого нарушения физических законов здесь нет, только на улице становится чуть-чуть холоднее…

Воздушные тепловые насосы обычно строятся на основе турбины, играющей роль эспандера и турбокомпрессора.

К сожалению, турбины и турбокомпрессоры имеют высокий КПД лишь при больших мощностях, а потому при 1–2 кВт тепловые насосы себя не оправдывают.

И все же поскольку потребность в дешевом тепловом насосе домашнего назначения существует, рано или поздно он будет создан.

Возможно, в нем будут использованы поршневые машины, КПД которых не зависит от мощности. Такой тепловой насос будет состоять из поршневого компрессора и поршневой же расширительной машины — детандера, соединенного с турбокомпрессором при помощи вала, передающего энергию практически без потерь.

На рисунке 2 вы видите схему теплового насоса с упрощенным кулисно-эксцентриковым механизмом. Эксцентрик — это диск, укрепленный на валу не по центру, как обычно, а несколько сбоку, эксцентрично. Кулиса — это рамка, в которой находится эксцентрик. Вращаясь, он заставляет ее двигаться возвратно-поступательно. К кулисе при помощи штоков с одной стороны присоединен поршень компрессора, с другой — поршень расширительной машины. Таким образом, действующее на поршень давление воздуха непосредственно передается поршню компрессора. Мощность, подводимая электромотором к валу эксцентрика, равна разности между мощностью, необходимой для работы компрессора, и мощностью, создаваемой в расширительной машине за счет работы поступающего в нее сжатого воздуха.

Вот как могла бы работать небольшая модель теплового насоса, при помощи которой можно было бы с большой выгодой по расходу электричества заварить чашку кофе и — не удивляйтесь! — заморозить кусок мяса.

Рис. 2.

1 — холодильная камера; 2 — выпуск холодного воздуха; 3 — кулиса; 4 — компрессор; 5 — впуск уличного воздуха; 6 — золотник; 7 — детандер.

Ее компрессор имеет рабочий объем 25 см³, детандер — 20 см³. Давление в компрессоре 4 атм (0,4 мПа). Температура при сжатии в нем уличного воздуха с температурой 0 °C поднимается до 112 °C. Проходя через теплообменник и почти не уменьшая своею давления, он отдает тепло комнате, остывая при этом до 50 °C. После этого объем его уменьшается до 8 см³, и он поступает в детандер. Здесь воздух совершает полезную работу и расширяется до атмосферного давления, после чего занимает объем около 20 см³, а температура его снижается до —43 °C. Вот из этой разности температур между взятым с улицы и готовом к выбросу воздухом и берется тот прирост энергии сверх того, что мы потратили на привод электромотора. Чтобы в комнате стало тепло, его необходимо выбросить на улицу.

Но не будем спешить. Такой холод имеет свою ценность.

Если заставить этот воздух пройти через морозильную камеру, он будет замораживать в ней продукты. Уже потом его можно выпустить на улицу.

Так от теплового насоса можно получить двойную экономию. Не нужен становится холодильник, а значит, и расходы электричества на его привод, да еще получим 1,5-2-кратную экономию в затратах на отопление. Выгодно?

Проверить всю эту теорию вы можете на небольшой модели. Отапливать дом она не сможет, но пользу принести способна: за час она приготовит один литр горячей воды с температурой 50 °C и 300 граммов льда.

Рассмотрим технические подробности устройства.

Обычно кривошипно-кулисный механизм выполняется так, как показано на рисунке 3.

Рис. 3

Его рамка должна ходить в хорошо смазанных направляющих, чтобы не было перекосов, а эксцентрик размещается внутри «камня» с отверстием. Давление его распределяется по большой площади хорошо смазанного паза рамки. Все это снижает общие потери на трение до 2–3 %. Но выполнить такую конструкцию можно только в условиях хорошо оснащенной механической мастерской. А для первого раза лучше сделать модель как можно проще (см. рис. 2).

Основу ее составляет кусок стальной водопроводной трубы с внутренним диаметром 25 мм. На одном его конце устроен цилиндр компрессора, на другом — детандера. Чтобы еще больше упростить конструкцию, мы отказываемся от эксцентрика, заменяя его проволочным кривошипом, но оставляем кулису.

Вначале подберите кусок трубы с чистой гладкой внутренней поверхностью. На концах трубы должны быть припаяны фланцы для крепления крышек цилиндров. Паять их следует оловянным припоем при помощи газовой горелки.

Сварку применять нежелательно, так как высокая температура вызовет коробление трубы, а ее внутренняя поверхность будет испорчена слоем окалины.

После пайки прошлифуйте трубу изнутри при помощи тонкого наждака с маслом и пасты ГОИ. После этого удалите кусок средней части трубы, как показано на чертеже. В этом месте будет двигаться кулиса. Крышки цилиндров можно выточить из стали. Поршни и втулка кривошипного вала делаются из чугуна или бронзы.

Каждый поршень имеет резьбовое гнездо для крепления штоков. Сами штоки делаются из прутковой стали «серебрянки» диаметром 6 мм и имеют резьбу М6 на одном конце и отверстие для шплинта на другом.

Рамка кулисы сделана из латуни либо бронзы. К ней припаяны два гнезда для крепления на шплинтах штоков поршней при сборке.

Впускные и выпускные клапаны компрессора шариковые. Они действуют под давлением воздуха. Впуск воздуха в детандер осуществляется золотниковым распределительным механизмом, установленным во втулке подшипника.

Принцип его работы показан на рисунке 2. В момент, когда поршень детандера оказывается в верхнем положении, вал поворачивается таким образом, что воздух проходит в цилиндр через сделанный на нем спил.

В нижнем положении поршень своей кромкой открывает отверстие, и через него воздух выходит в холодильную камеру.

Для привода компрессора годится мотор мощностью 150 Вт, делающий около 1500 оборотов в минуту. При высоких скоростях воздух не будет успевать заполнять цилиндры, и тепловая мощность системы уменьшится, да и износ кулисы ускорится.

При работе теплового насоса непосредственно на уличном воздухе может возникнуть неприятное явление. Содержащаяся в нем влага может конденсироваться в эспандере и замерзать на его стейках. Это, в конце концов, приведет к его остановке. Согласитесь, это неудобно. Самая надежная мера против образования льда — это создать замкнутый контур, по которому будет циркулировать небольшая порция воздуха от компрессора до эспандера и обратно, а воздух, поступающий в компрессор, охлаждать уличным воздухом через стенку трубы.

Воздух же, выходящий из детандера, потребуется опять же через стенку трубы обдувать свежим воздухом, который от соприкосновения с ней станет холодным, а после будет направлен в камеру с продуктами.

Введение замкнутого контура значительно усложняет установку, но упрощает некоторые проблемы. Например, мы с вами пока ничего не говорили о смазке поршней. А они без нее работать не могут. В то же время смазка может вылетать из детандера и попадать на охлаждаемые продукты.

Применение замкнутого контура позволяет применить для смазки тончайший графитовый порошок, полученный растиранием стержня мягкого карандаша. Вообще возможности для улучшения даже такой простейшей модели огромны. Но чтобы перейти к образцу, пригодному для отопления целого дома, придется немало поработать и многое изучить.

А. ИЛЬИН

Рисунки автора