О реальной и возможной эффективности кондиционеров

Многих удивляет, что кондиционеры вырабатывают холода в три раза больше потребляемой мощности, и они не верят в это, разумно полагая, мол, КПД не может быть 300%. Но ведь ещё меньше людей представляют себе, что такое и каков на самом деле КПД кондиционера. И уж совсем немногие в курсе реальной эффективности кондиционеров по сравнению с их теоретическими возможностями. Давайте разберемся!

Степень термодинамического совершенства кондиционера

Эффективность кондиционера определяется научным термином "Степень термодинамического совершенства", а он в свою очередь определяет, насколько холодильный цикл кондиционера близок к идеальному холодильному циклу. Предел эффективности (т.е. идеальный цикл) устанавливается теоремой Карно (или вторым началом термодинамики, являющимся, по сути, следствием теоремы Карно), гласящей, что нет более эффективного цикла, чем цикл Карно. Этот факт многие помнят из школьной термодинамики. Оттуда же возьмем и конкретную формулу для эффективности холодильного цикла Карно: E=Tх/(Tг-Tх), где Tx и Tг - температуры в Кельвинах соответственно холодной и горячей среды (т.е. температуры воздуха в комнате и на улице).

Чтобы получить конкретную величину предельной эффективности необходимо выбрать эти температуры. Здесь заметим, что все кондиционеры проходят сертификацию специальной организации EUROVENT при стандартных условиях, ею же и заданных. Для комфортных кондиционеров до 12кВт условия следующие: Tх=27С=300K в помещении и Tг=35С=308K за бортом.

Итак, предельная эффективность равна Emax=Tх/(Tг-Tх)=300/(308-300)=37.5. А, значит, при использовании компрессора, потребляющего 1кВт электроэнергии, мы должны получить в идеале 37.5кВт холода. Ещё раз отметим, что эта цифра учитывает затраченную мощность только компрессора, без учёта энергопотребления вентиляторов внутреннего и наружного блоков, а также системы автоматики (контроллера). Но заглянем в каталоги кондиционеров. Что же мы видим? При мощности компрессора, к примеру, 4.6кВт холодопроизводительность составляет 14.6кВт, т.е. реальная эффективность составляет 14.6/4.6=3.2! А должно быть? 37.5? А имеем? 3.2? Да, есть над чем задуматься...

Какова же степень термодинамического совершенства? 3.2/37.5*100%=8.5%. Помните первые паровозы, жаль что не дошедшие до нас? Или лампы накаливания, дошедшие до нас? И лампы и паровозы и кондиционеры имеют неожиданно общее кое-что - примерно одинаковую катастрофически низкую степень совершенства. У паровозов всё совершенство терялось, уходя в тепло и в выхлопную трубу, у ламп накаливания - в тепло, а где мы его потеряли в кондиционерах?

В чем же дело?

На ум сразу приходит абсолютно неверный ответ о несовершенстве компрессоров. Однако, факт: сделав абсолютно идеальный компрессор эффективность и совершенство увеличатся примерно на 15%. Т.е. вместо 8.5% получим 9.8% - всё равно очень далеко до 100%. Идеализация ТРВ даст аналогичного порядка эффект. Остаются теплообменные аппараты - конденсатор и испаритель. Кажется далеко не очевидным, но это действительно так - в этих двух аппаратах всё совершенство и теряется. И дело вовсе не в их конструкции. Дело, главным образом, в свойствах воздуха.

Проблема теплообмена

Для процесса теплообмена необходима разность температур. Хладагент остывает и конденсируется в конденсаторе и чтобы шел процесс охлаждения необходимо, чтобы окружающий воздух был холоднее хладагента. Самая большая разность температур на входе в теплообменник и составляет около 40С. В этих условиях получаем самый эффективный теплообмен. Далее, чем дольше хладагент контактирует с воздухом, тем ближе его температура к воздушной и тем ниже температурный напор, а, значит, ниже и эффективность теплообмена. Теоретически, чтобы хладагент достиг температуры окружающего воздуха нам понадобится теплообменник бесконечной длины. На практике, конечно, длина ограничена разумными мерками, а, значит, температура хладагента на выходе из аппарата не достигает температуры окружающего воздуха. На сколько? Опыт показывает, что градусов на 8 - это точно, чаще же на 10-12 (примем 11). Аналогичная ситуация имеет место и в испарителе и в конденсаторе. Что это значит?

Это значит, что если EUROVENT нам задал температуры воздуха 27С и 35С, то температуры хладагента в контуре следующие: 27-11=16С и 35+11=46С. Другими словами, из-за свойств воздуха в формуле эффективности холодильной машины следует использовать не 27С и 35С, а 16С и 46С (289K и 319K), т.е. E=289/(319-289)=9.6, а степень совершенства равна 9.6/37.5=26%. Вот оно как получается - только лишь в теплообменниках мы потеряли 74% драгоценного совершенства кондиционера! На всём остальном теряется менее 20%! Вот в сумме так оно и получается, что эффективность кондиционера сравнима с лампами накаливания, да с паровозами начала прошлого века! А мы удивляемся - какой хороший кондиционер - 1кВт энергии потребил, а 3кВт холода выработал - много как! Но мы убедились - мало это! Мало! В 10 раз меньше требуемого!

Вывод

Значит, ждут ещё науку о кондиционировании золотые времена, множество прорывов и достижения высот! Будет и на нашей улице праздник!