Изобретяването на термопомпата: как топлината се „изпомпва“ нагоре

Какво прави термопомпата

Енциклопедия „Британика“ определя термопомпата като устройство, което пренася топлина от по-студено вещество или пространство към по-топло. Сама по себе си топлината тече обратно, от топлото към студеното. За да я „изпомпате“ нагоре, трябва да вложите работа.

Устройството има същите основни части като хладилника и климатика: компресор, кондензатор, дроселен вентил и изпарител, през които циркулира хладилен агент. Разликата е в целта. Хладилникът и климатикът се ползват заради студената страна, а термопомпата за отопление се ползва заради топлата. Много системи могат да обръщат посоката и да отопляват или охлаждат.

Теорията: Карно, Клаузиус и Томсън

Според обзора на Мартин Цог, представен на 9-ата конференция за термопомпи на Международната агенция по енергетика през 2008 г., пръв точна връзка между топлина и работа установява Сади Карно през 1824 г. Неговата работа е преформулирана по-късно в днешния цикъл на Карно от Рудолф Клаузиус. Клаузиус формулира основите на втория закон на термодинамиката и въвежда понятието ентропия. През 1851 г. Уилям Томсън, по-късно лорд Келвин, дава по-обща формулировка на втория закон, а през 1852 г. въвежда термодинамичната температурна скала.

От тази теория следва, че с машина може да се пренесе повече топлина, отколкото е вложената работа. Отношението между двете се нарича коефициент на преобразуване (COP).

Петер фон Ритингер и солниците в Ебензе

Петер фон Ритингер е роден на 23.01.1811 г. в Нойтичайн (днес Нови Йичин, Чехия) и умира на 7.12.1872 г. във Виена. Той е минен специалист и изобретател, пионер на обогатяването на рудите, а през 1863 г. получава наследствено благородническо звание.

През 1853 г. получава патент за метод на изпаряване (Abdampfverfahren) в солницата в Ебензе. Идеята е парата, която се отделя при варенето на солен разтвор, да се сгъсти и да се използва отново за нагряване. Ритингер обещава около 80% икономия на енергия. Опитната инсталация се строи от 1856 г. и работи година по-късно. С чиста вода работи, но със солен разтвор не. През 1858 г. опитите са прекратени. Обзорът на Цог посочва мощност от около 14 kW и заключава, че инсталацията така и не проработва успешно.

Първите работещи инсталации

• 1876 г. – Пол Пикар от Лозанския университет и инженерът Ж. Х. Вайбел от Женева разработват първата наистина работеща инсталация за сол с повторно сгъстяване на парата, вероятно вдъхновени от опитите на Ритингер;
• 1877 г. – тя е пусната в солниците в Бе, Швейцария, и дава около 175 kg сол на час при непрекъсната работа;
• 1881 г. – подобна инсталация е изградена в Ебензе;
• 1912 г. – швейцарският инженер Хайнрих Цьоли получава швейцарски патент за електрическа термопомпа с топлина от земята, първото такова предложение според Цог;
• 1937/38 г. – термопомпа, която взема топлина от река Лимат, отоплява кметството на Цюрих и работи 63 години, до 2001 г.

Робърт Уебър и подземната термопомпа

В САЩ първите термопомпи в началото на 30-те години на XX век са климатични уреди, които освен лятно охлаждане дават и слабо зимно отопление. Около 1945 г. Р. К. Уебър (Robert C. Webber) построява първата термопомпа, свързана със земята, с мощност 2,2 kW. Той изпарява хладилния агент директно в медни тръби, заровени в земята. Така земята става източник на топлина, който през зимата е по-топъл от въздуха.

Как работи днешната термопомпа

• в изпарителя хладилният агент кипи при ниско налягане и поема топлина от въздуха навън, от земята или от водата;
• компресорът сгъстява парата и я загрява;
• в кондензатора агентът отдава топлината на водата в отоплителната система или на въздуха в стаята;
• дроселният вентил намалява налягането и цикълът започва отново.

Ако цикълът се обърне, същата машина охлажда. Затова климатикът и термопомпата въздух-въздух често са един и същи уред. Историята на климатика е разказана в текста за климатика, а други дати има в хронологията.

Ако работите по подобрение

Термопомпите са област с много нови заявки, особено за топлообменници, хладилни агенти и управление. Преди да започнете, потърсете в Espacenet и Google Patents и проверете какво може да се патентова. Ако правите изпитвания пред хора извън екипа, пазете новостта.