Czy łańcuch zagnieżdżonych pomp ciepła może być wykorzystywany do pozyskiwania energii cieplnej z otoczenia?

1

Załóżmy następującą konfigurację:

Input -> First    ----------> Second    ----------> etc.
Air      heatpump   hot air   heatpump    hot air
T_0        |        T_h1>T_0     |        T_h2>T_h1
           v                     v
        cold air              cold air
        T_c0<T_0              T_c1<T_h1

lub

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Ts są temperaturami; im ciemniejsza czerwień, tym cieplej. Bariery między obszarami stanowią materiały izolujące. Wydajność jest mniejsza w przypadku pomp zagnieżdżonych, dzięki czemu najbardziej wewnętrzny, najgorętszy obszar jest dość mały i nagrzewa się powoli w porównaniu z zewnętrznymi. Pompy ciepła pracowałyby z różnymi płynami dostosowanymi do różnic temperatur. Temperatura wyjściowa (po etc.) jest ograniczona dostępnością odpowiedniego płynu i konstrukcją pompy, która może wytrzymać ciepło.

Jedynym pytaniem, które decyduje o tym, czy taka maszyna mogłaby działać wydajnie, tj. Dostarczać więcej energii niż pompy zużywają, jest to, ile zużywają pompy ciepła? Szukam liczb do oszacowania zużycia termicznych pomp ciepła (załóżmy, że są elektryczne).

Jestem całkiem pewien, że nie jest to perpetuum mobile drugiego rodzaju, ponieważ system jest zasilany energią pobraną z zimnego powietrza, które opuszcza pierwszą (lewą) pompę ciepła.

Liczby zużycia energii pokazałyby, czy taką maszynę można zbudować i dostarczać (cieplną) energię, a nie zużywać więcej, niż zapewnia. Przykładami zastosowań mogą być geo / inżynieria klimatyczna oraz produkcja energii elektrycznej lub ciepła w inżynierii ciężkiej.

thermodynamics heat-transfer pumps geotechnical-engineering temperature Karl Richter
źródło
2
Wiele informacji na temat termodynamiki pompy ciepła jest dostępnych na interwebach, spróbuj wyszukać „współczynnik wydajności pompy ciepła” i zobacz, co otrzymujesz.
niels nielsen
Jest to system etapowy (wieloetapowy). Są bardzo powszechne. Chodzi o to, aby dotrzeć do pożądanego punktu końcowego drogą najmniejszych kosztów. Czasami potrzebujesz wyjść w różnych temperaturach, a czasem masz źródła / radiatory w różnych temperaturach.
Phil Sweet
Więc twój schemat pokazuje przepływ masy (powietrze wlot / wylot powietrza) i przepływ temperatury (tutaj gorące powietrze, tutaj zimne powietrze), ale nie pokazujesz przepływu energii. Jak myślisz, gdzie „energia” jest „konsumowana” i gdzie „energia” jest „dostarczana”? Myślę, że jeśli wyraźnie narysujesz przepływ energii, to pomoże. tzn. jestem w około 90% pewien, że to, o czym myślisz, narusza pierwszą zasadę termodynamiki, ale nie jestem w 100% pewien, ponieważ mówisz o „energii” w tekście pytania, podczas gdy nie jest to jednoznaczne w schemat ...
Daniel Kiracofe
@DanielKiracofe Rysowanie szkicu uświadomiło mi, że pompa ciepła musi być zagnieżdżona tak, jak pokazano na nowym szkicu, a nie w łańcuchu. Koncepcja zagnieżdżona wykorzystuje po prostu przepływ energii pompy ciepła i rekurencyjnie stosuje ją do siebie dla pomp zagnieżdżonych. Zewnętrzna (lewa) pompa chłodzi otoczenie, co oznacza wzrost energii wewnątrz maszyny, który jest następnie mnożony, a ilość cieplejszego powietrza jest zmniejszana na każdym etapie.
Karl Richter
Tak, ale wciąż czegoś brakuje. Gdzie jest przepływ energii? Ciepło nie równa się energii. To prawda, możesz wydobywać energię z gorącego powietrza, ale wydobędziesz z niej mniej energii niż użyłeś do jej podgrzania. tzn. nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch. Jeśli masz zamiar tylko stworzyć trochę gorącego powietrza, osiągnąłeś swój cel. Jeśli próbujesz wydobyć energię z tego gorącego powietrza, to nie zadziała.
Daniel Kiracofe

Odpowiedzi:

1

Oto schemat, do którego starałem się doprowadzić cię w komentarzach

       Energy In E1          Energy out E2
           |                     ^
           V                     |
Input -> First    ---------->  Heat    ----------> etc.
Air      heatpump   hot air    engine    warm air
T_0        |        T_h1>T_0     ^       T_c1<T_h2<T_h1
           v                     |
        cold air              cold air
        T_c0<T_0              T_c1<T_h1

Po pierwsze, pompy ciepła wymagają do działania zewnętrznego źródła energii. Jeśli mi nie wierzysz, spójrz na swoją lodówkę lub klimatyzator. Obie są pompami ciepła i gwarantuję, że są podłączone do zewnętrznego źródła energii elektrycznej i przestaną działać, jeśli zostaną odłączone.

Drugą rzeczą jest to, że samo generowanie gorącego powietrza nie zapewnia automatycznie energii. Musisz wydobyć energię z tego gorącego powietrza za pomocą silnika cieplnego . Może to przybierać różne formy. Np. Silnik Stirlinga może tu dobrze działać. Należy również pamiętać, że silnik cieplny musi mieć nie tylko źródło gorącego powietrza, ale także źródło zimnego powietrza.

Teraz wiem, co myślisz, że możesz po prostu użyć energii E2 pobranej z silnika cieplnego, aby napędzać pompę ciepła. Problem polega jednak na tym, że E2 zawsze będzie mniejsze niż E1. Musisz włożyć do tego systemu więcej energii, niż się z niego wydostaniesz. Dlatego ten system nie wytwarza żadnej energii netto.

Daniel Kiracofe
źródło