Pompa ciepła jest urządzeniem, które transportuje ciepło z obszaru chłodniejszego (np. grunt, powietrze zewnętrzne) do obszaru cieplejszego (np. wnętrze domu). Oczywiście przenoszenie ciepła nie odbywa się tu na zasadzie bezpośredniego przepływu energii cieplnej. Było by to niemożliwe. Przeczyło by zasadzie, że ciepło może przepływać tylko z obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o temperaturze niższej.

Aby zrozumieć jak odbywa się takie ogrzewanie domowych pomieszczeń od ciepła zawartego w zazwyczaj chłodniejszym gruncie należy przypatrzeć się budowie pompy ciepła i przeanalizować przemiany termodynamiczne czynnika roboczego zachodzące w jej podzespołach.

Budowa pompy ciepła

Rys. 1 Budowa pompy ciepła

Zasadniczymi elementami pompy ciepła są parownik (1), sprężarka (2), parownik (3), zawór rozprężny (4).

W układzie pompy ciepła znajduje się czynnik roboczy. Podstawową cechą tych czynników jest to, że ich temperatura wrzenia, w warunkach ciśnienia normalnego jest na poziomie kilkudziesięciu stopni poniżej 0oC. Przemiany czynnika roboczego pracującego w pompie ciepła można prześledzić analizując wykres przemian termodynamicznych w układzie ciśnienie-entalpia. Aby nieco przybliżyć temat przeanalizujmy diagram pokazujący przemiany zwykłej wody w układzie ciśnienie-entalpia na rys. 2.

Wykres ciśnienie entalpia

Rys. 2. Przemian termodynamiczne wody w układzie ciśnienie-entalpia

Odcinek A-D na rys. 2. przedstawia proces podgrzewania 1 kg wody od temperatury 100C do 5000C pod ciśnieniem 100 kPa. Przebieg tego procesu – przemiany wody w parę pod stałym ciśnieniem pokazano na rys. 3. Na odcinku A-B (rys. 2.) woda jest podgrzewana do temperatury wrzenia. Na prawo od punktu B woda wrze zamieniając się w parę. W punkcie C ostatnia cząsteczka wody odparowuje i całą objętość naczynia zajmuje para.  Wybrzuszona krzywa na rys. 2. zamyka obszar pary mokrej w którym para współistnieje z wodą. Odpowiada temu sytuacje II, III i IV na rysunku 3.

Izobaryczne odarowanie wody

Rys. 3. Parowanie przy stałym ciśnieniu

Od momentu kiedy woda zaczyna wrzeć (punkt pęcherzyków) i pojawia się para, pomimo dalszego dostarczania ciepła temperatura mieszaniny nie wzrasta (odcinek B-C rys. 2.). Dostarczone ciepło jest w całości wykorzystywane na przemianę fazową czyli przejście z cieczy w gaz i nie podnosi ono temperatury mieszaniny. Ciepło pobrane przez wodę w fazie odparowania nazywane jest ciepłem utajonym. Ten brak wzrostu temperatury obrazują izotermy na rys. 2., które w obszarze pary mokrej mają poziomy przebieg.

Zielone linie (rys.2.)biegnące od osi entalpii w górę i zbiegające się w jednym punkcie na szczycie krzywej nasycenia oznaczają, wyrażony w procentach stopień suchości pary mokrej, czyli stosunek masy samej pary do masy wody wraz z parą. Stopień suchości pary mówi o stanie zaawansowania przemiany fazowej –  parowania lub skraplania.

Punkt, w którym zbiegają się linie stopnia suchości pary to punkt krytyczny wody. Punkt ten oznacza temperaturę krytyczną (dla wody 647,27 K lub 374,12ºC), powyżej której nie można skroplić wody bez względu na wielkość ciśnienia. Temperatura punktu krytycznego jest najwyższą temperaturą, w której można jeszcze wodę skroplić. Wymaga to ciśnienia 221,15 bar.

Oś pozioma diagramu z rys. 2. wyznacza zmianę entalpii. Entalpia jest sumą energii wewnętrznej czynnika i pracy, która wynika ze zmiany objętości czynnika.

W procesach termodynamicznych układ (np. gaz) często zmienia swoją objętość lub ciśnienie pod wpływem np. zmiany temperatury czy wykonywania pracy sprężania. Aby w bilansie energii układu uwzględnić te procesy wprowadzono entalpię.

H = U + P*V

Człon P* V równania może być np. pracą wtłoczenia pewnej objętości czynnika do przestrzeni o wyższym ciśnieniu. W pokazanej na rys. 2. przemianie nie jest wykonywana praca nad czynnikiem jakim jest woda czy para. W związku z tym drugi człon entalpii jest równy zero. Natomiast w obiegu pompy ciepła czynnik roboczy podlega sprężaniu i człon pracy będzie miał wartość dodatnią.

Z wykresu przemiany wody możemy odczytać ilość energii jaką należy dostarczyć poszczególnym procesom termodynamicznym.

Rzutując odcinek A-B na oś entalpii odczytamy, że na podgrzanie 1 kg wody od temperatury 100C do 1000C zużyto około 380 kJ, (Ciepło właściwe wody 4,1899 kJ/kg*K  x Różnica temperatur 90K = 377 kJ/kg).

Rzutując odcinek B-C na oś entalpii odczytamy, że na odparowanie 1 kg wody potrzeba w przybliżeniu 2250 kJ,  (ciepło parowania wody 2256,7 kJ/kg)

Pozostańmy w układzie odniesienia ciśnienie-entalpia i przypatrzmy się przemianom termodynamicznym czynnika roboczego pompy ciepła – rys. 4.. Pompa ciepła jako maszyna cieplna przenosząca ciepło pracuje w obiegu lewobieżnym, zwanym obiegiem Lindego. Czynnikiem roboczym jest tutaj czynnik chłodniczy R 410A

Wykres R410A w układzie ciśnienie entalpia

Rys. 4. Przebieg przemian termodynamicznych czynnika roboczego pompy naniesionych na krzywą nasycenia

Do pompy ciepła zostaje doprowadzone ciepło ze źródła dolnego (np. gruntu). Ciepło to zostaje w parowniku odebrane przez czynnik roboczy. Na wykresie obiegu Lindego jest to izobara A-B. Dostarczane jest ciepło, wzrasta entalpia, ciśnienie pozostaje na tym samym poziomie. Dostarczone ciepło jest wykorzystane na odparowanie czynnika i nie podnosi jego temperatury. Punkt B oznacza odparowanie ostatniej kropli czynnika.

To utajone ciepło wykorzystane do przemiany fazowej czynnika zostanie oddane podczas skroplenia czynnika grzewczego w skraplaczu i wykorzystane np. do ogrzania wody w instalacji centralnego ogrzewania lub w zasobniku cwu.

Nie może to jednak zostać dokonane wprost. To znaczy, nie można teraz przenieść czynnika do obszaru w którym powinien on oddać swoją energię. Dlaczego? Czynnik został odparowany w temperaturze np. 0oC. Pamiętajmy, że czynnikami grzewczymi nie jest woda, która odparowuje w 100oC, tylko substancje których temperatura wrzenia jest ujemna. Miejscem, w którym substancja grzewcza oddaje ciepło do instalacji c.o. jest skraplacz. Temperatura, jaka panuje w skraplaczu jest zazwyczaj wyższa niż temperatura ogrzewanego pomieszczenia ponieważ jest to temperatura powrotu wody z instalacji grzewczej. Temperatura parowania i skraplania dla danej substancji jest, przy jednakowym ciśnieniu, taka sama. Jest to tak zwana temperatura punktu rosy. Nasz czynnik odparował w temperaturze 0oC, więc nie skropli się w temperaturze np. 30oC, tylko nadal pozostanie w postaci pary.

Aby rozwiązać ten problem należy pary czynnika sprężyć. Sprężając czynnik roboczy podwyższamy jego temperaturę przy której zaczyna się skraplać. Będzie mógł się on wtedy skroplić w temperaturze jaka panuje w skraplaczu. Sprężaniem zajmuje się oczywiście sprężarka pompy ciepła. Na rys. 5. pokazano jak wraz ze wzrostem ciśnienia podnosi się temperatura wrzenia wybranych substancji. W taki sam sposób wzrastają temperatury wrzenia czynników roboczych.

 

zależność temperatury wrzenia od ciśnienia

Rys. 5. Zależność temperatury wrzenia od ciśnienia

Sprężaniu czynnika towarzyszy podwyższenie jego temperatury. Jest to zjawisko mikroskopowe związane z wzajemnym oddziaływaniem zbliżających się cząsteczek gazu.

Procesowi sprężania odpowiada na obiegu Lindego odcinek B-C. Odbywa się to już w obszarze pary przegrzanej i temperatury par czynnika wzrasta. Wzrasta również ciśnienie a wzrost entalpii jest równy pracy sprężania.

Dzięki wykonaniu dodatkowej pracy nad czynnikiem roboczym, której skutkiem jest wzrost ciśnienia, czynnik może przenosić ciepło z obszaru chłodniejszego do cieplejszego. Jest to oczywiście okupione dostarczeniem energii elektrycznej, którą pobiera sprężarka.

Następnie w skraplaczu czynnik oddaje ciepło wodzie grzewczej w instalacji, ulega ochłodzeniu i skrapla się, odcinek C-D.

Dalej czynnik przepływa przez zawór rozprężny (odcinek D-A) i ulega swobodnemu rozprężaniu.

Obieg chłodniczy z przegrzaniem czynnika roboczego

Rys. 6. Wykres przemian czynnika roboczego pompy ciepła z przegrzaniem

W pompach ciepła występuje jeszcze dodatkowy wymiennik ciepła, w którym czynnik po wyjściu ze skraplacza (poziomy odcinek po prawej stronie punktu D na rys. 6.) przegrzewa czynnik przed wejściem do parownika (odcinek B-B1). Powoduje to przy tej samej pracy sprężania uzyskanie wyższej temperatury za sprężarką. Służy również temu aby cały czynnik dokładnie odparował przed wejściem do sprężarki. Dostanie się do sprężarki czynnika w postaci cieczy groziło by jej zniszczeniem.

W pompach powietrze-woda, szczególnie w miesiącach zimowych występuje duża różnica temperatury pomiędzy źródłem górnym i dolnym czyli pomiędzy temperaturą wody zasilającej w systemie grzewczym budynku powietrza i powietrzem zewnętrznym. Aby zwiększyć efektywność działania w takich warunkach inżynierowie opracowali system EVI ( Enhanced Vapour Injection).

System ten umożliwia uzyskanie wystarczająco wysokiej temperatury zasilania górnego źródła ciepła pomimo niskiej temperatury dolnego źródła ciepła.

EVI Enhanced Vapour Injection

Rys. 7. Zasada działania systemu EVI

Zasadą działania systemu jest wtryśnięcie do sprężanego w sprężarce czynnika pewnej objętości czynnika o niższej temperaturze. Zabieg ten powoduje schłodzenie całej objętości sprężanego czynnika. Natomiast wtryśnięta dodatkowa objętość czynnika zapobiega spadkowi ciśnienia, który powinien mieć miejsce wraz ze spadkiem temperatury. W ten sposób dalsze sprężanie skutkuje uzyskaniem wyższego ciśnienia i temperatury przy tej samej pracy sprężarki.

Skąd się bierze ten wtryskiwany czynnik. Na rys. 7. za skraplaczem jasno niebieski przewód rozdziela się. Kiedy zawór sterujący procesem (żółty) otwiera się, pobierana jest niewielka objętość czynnika. Ciekły czynnik jest rozprężany w zaworze rozprężnym (drugi żółty zawór) i następnie odparowuje w wymienniku ciepła. Dalej kierowany jest już do sprężarki.

Na rys. 8. pokazano ścieżkę przemiany czynnika roboczego z uwzględnieniem wtrysku chłodniejszej pary w fazie sprężania – krzywa pomarańczowa. Niebieskie linie obrazują obieg części czynnika, który został pobrany w celu wtryśnięcia do sprężarki.

przemiany czynnika chłodniczego w wtryskiem pary EVI

Rys. 8. Wykres przemian czynnika roboczego pompy ciepła z wtryskiem pary

Dzięki takiemu przemyślnemu rozwiązaniu system EVI umożliwia pompom ciepła powietrze-woda uzyskanie temperatury zasilania górnego źródła na poziomie 65oC nawet przy tęgich mrozach.

j

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celach statystycznych, reklamowych oraz funkcjonalnych. Dzięki nim możemy indywidualnie dostosować stronę do twoich potrzeb. Każdy może zaakceptować pliki cookies albo ma możliwość wyłączenia ich w przeglądarce, dzięki czemu nie będą zbierane żadne informacje. Dowiedz się jak wyłączyć...

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close