Як працює кондиціонер Color-Science
термодинаміка Четвер, 21 червня 2018 року, Тімо ван Неерден
Три роки тому я опублікував статтю про виробництво холоду. Я дозволяю собі доповнити це новою статтею про кондиціонери, адже, незважаючи на зовнішність, кондиціонер - це зовсім не радіатор, який можна було б встановити догори дном.
Тепло, енергія, ентропія
Тепло - це енергія у формі термічного збудження: молекули в гарячому тілі більш збуджені, ніж у холодному. Якщо дивитись під цим кутом, охолодити тіло означало б заспокоїти всі ці молекули, впорядкувати їх.
Однак, якщо невпорядкована система, починаючи з упорядкованої системи, дуже проста, то зворотне набагато менше! І це також справедливо у повсякденному житті: чи легше отримати впорядковану чи брудну головоломку? ?
Якщо чесно, насправді, принципово неможливо замовити безладну систему. Це навіть настільки фундаментально, що його називають "другим принципом термодинаміки".
Цей принцип говорить, що кількість замовлення "в ізольованій системі може лише збільшуватися: це поняття ентропії.
Отже, немає машини, яка могла б просто охолодити тіло, яке їй подають: це було б порушенням другого принципу.
Холодильники або кондиціонери завжди роблять щось більше, ніж просто охолоджують тіло: вони нагріваються десь в іншому місці: ваш холодильник нагріває задню решітку, а кондиціонер також виділяє велику кількість тепла назовні (труба, яка ми проходимо через вікно, евакуюємо все це тепло).
Тільки так ви можете охолодити тіло: нагрівши замість цього щось інше.
Насправді ці пристрої рухають тепло: вони забирають тепло від тіла для охолодження, щоб евакуювати його назовні. Для цього існує кілька методів, найпростіший з яких я пояснимо нижче.
Кондиціонер: машина для переміщення тепла
Кондиціонер повинен забирати тепло з повітря в кімнаті і виводити його назовні. Для цього тепло спочатку повинно проходити з кімнати до вашого кондиціонера. Це можна зробити лише в тому випадку, якщо ваш кондиціонер холодніший за інтер’єр: тепло завжди надходить лише від гарячого тіла до холодного тіла:
Тоді теплопередача є природною: кондиціонер нагрівається, а повітря в приміщенні охолоджується, поки не досягне рівноваги.
З іншого боку кондиціонера, з боку, що евакуює тепло назовні, ваш кондиціонер повинен бути гарячим, ніж повітря зовні: таким чином, тепло вийде з кондиціонера і загубиться зовні:
Врешті-решт, тепло перейде від вашої кімнати, до кондиціонера, а потім назовні. Простий, ні ?
Насправді ні: якщо ми підведемо підсумки, ваш кондиціонер повинен бути прохолоднішим, ніж у вашій кімнаті, але теплішим, ніж повітря на вулиці. Однак апріорі це неможливо: всередині приміщення з кондиціонером вже холодніше, ніж зовні, і кондиціонер продовжує добре працювати.
Тож є хитрість.
Фокус у тому, щоб змусіть частину кондиціонера у вашому домі охолонути, а частину зовні зігріти.
Це стає можливим завдяки розширенню та стискуванню газу. Коли ви випускаєте газ, він охолоджується: поставте термометр прямо на вихід вашої дезодорантної каністри (яка знаходиться під тиском), і ви побачите: вона опускається до −50 ° C.
І навпаки, стискайте газ, і він нагрівається. Ми бачимо це на велосипедному насосі, який раптово нагрівається, коли ви активуєте його, перекриваючи вихід повітря.
Ваш кондиціонер використовує замкнений контур, що містить газ, який по черзі розслаблюється, а потім стискається.
Частина контуру, що контактує з повітрям у вашій кімнаті, містить дуже сильно розслаблене повітря. Таким чином, газ дуже холодний, і тепло швидко переходить з повітря на газ. Так повітря у вашому домі охолоджується, а газ нагрівається.
Потім насос транспортує нагрітий газ до контуру, який знаходиться зовні, де він дуже сильно стискається: він нагрівається вище зовнішньої температури і тепло виходить.
Нарешті, газ повертається до кондиціонера для розслаблення. Всі, що працюють в замкнутому і безперервному контурі:
Принцип досить простий: розширення, а потім стиснення газу змушує його приймати тепло в будинку, а потім виділяти тепло назовні.
Ось як цей пристрій змушує передавати тепло з повітря у вашій кімнаті назовні, і таким чином потрапляти холодне повітря у ваш будинок.
Ми вже помічаємо, що чим холодніше у вашому домі, тим більше газів має виділятися в будинку. Так само, чим спекотніше на вулиці, тим більше компресор повинен нагрівати газ, щоб перевищити температуру зовнішнього повітря.
Ось чому кондиціонер споживає набагато більше енергії, оскільки різниця температур всередині та зовні велика. Кожен градус "менш холодний" означає значну економію енергії.
Я відкладаю це в сторону, тому що це відступ, але тут все одно є своє місце.
Більшість кондиціонерів, а особливо інших систем охолодження, таких як холодильники, використовують іншу хитрість: замість використання лише газу вони використовують продукт, температура зрідження/кипіння якого близька до кімнатної. Таким чином, у розширювальному клапані рідина стає газом, а в компресорі газ знову стає рідиною. Це значно підвищує ефективність роботи пристрою.
Причиною цього є те зміна стану завжди супроводжується теплообміном. Тоді достатньо змінити стан рідини в системі, щоб змусити поглинати або виділяти багато тепла. Не потрібно багато стискати: достатньо, щоб зміна стану була вимушена зміною тиску рідини.
Цю теплоту зміни стану називають "прихованою спекою": ми її не відчуваємо, але вона є, і саме вона транспортується в контурі охолодження кондиціонера (і вашого холодильника теж), так -викликова рідина для передачі тепла ("носій калорій", отже, тепло).
Ця система зміни фаз у поєднанні з компресорами та розширювальними клапанами набагато ефективніша, ніж простий однофазний контур (просто газ).
Подібність із холодильником та тепловим насосом
Останнє примітка, нарешті.
Кондиціонер транспортує тепло з однієї зони для охолодження в іншу зону, де воно може вичерпатися. Якщо підключити схему кондиціонування повітря догори дном, тоді тепло - калорії - транспортуються в інший бік: із зони, де їх легко можна ввести в інтер’єр будинку. Якщо ми це зробимо, ми закінчуємо тепловим насосом: калорії вивозяться назовні та транспортуються всередину будинку.
Схематично, якщо ви зробите отвір розміром з ваш холодильник у своїй стіні, відкриєте холодильник зовні і тримаєте решітку всередині, тоді взимку ваш холодильник буде виконувати роль теплового насоса: калорії будуть прийматися всередині холодильника (в контакт з повітрям зовні) і транспортується на гриль у вашому домі. Це спрацює (з низькою продуктивністю, і якщо холодильник спрацює, але це спрацьовує).
Уловлювання та транспортування існуючого тепла вигідніше, ніж створення тепла від електрики або деревини: наприклад, 400 Вт тепла можна отримати за допомогою насоса, який споживає лише 100 Вт електроенергії.
Потім ми говоримо, що коефіцієнт продуктивності теплового насоса дорівнює 4, і це означає, що за однакових інвестицій в 100 Вт електроенергії ми відновлюємо в 4 рази більше тепла тепловим насосом, ніж нагрівачем.
Це дуже вигідно з економічної точки зору, але цього не слід плутати з "надмірною віддачею", оскільки це не так. Електричне опалення перетворюється з електрики на тепло (максимальна ефективність - 1), тоді як тепловий насос транспортує тепло, а транспорт не є перетворенням енергії, і тому ми не говоримо про ефективність: ми можемо добре транспортувати 4 кВт/год. тепла за допомогою пристрою, що споживає 1 кВт/год.