Юный техник, 2004 № 11

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.