Pompa ciepła jest urządzeniem wykorzystywanym w ogrzewaniu domów, obiektów użytku publicznego czy obiektów przemysłowych. Na przestrzeni dekad, wraz z obniżaniem ceny i podnoszeniem sprawności, pompa ciepła staje się coraz popularniejszym urządzeniem wykorzystywanym w systemach ogrzewania.

Z punktu widzenia techniki pompa ciepła jest urządzeniem przenoszącym ciepło od ciała chłodniejszego do ciała cieplejszego. Oczywiście taka droga przenoszenia ciepła bezpośrednio jest z niemożliwa. Mówi o tym druga zasada termodynamiki oraz zwykłe, logiczne rozumowanie.  W celu przeniesienia ciepła od ciała chłodniejszego do cieplejszego niezbędne jest dostarczenie czynnikowi roboczemu, który przenosi ciepło, pewnej dodatkowej porcji energii. W pompie ciepła takiej dodatkowej energii dostarcza sprężarka.

Cały system ogrzewania za pomocą pompy ciepła składa się z trzech układów:

– dolne źródło ciepła

– pompa ciepła

– górne źródło ciepła

Dolne źródło ciepła jest to teoretycznie niewyczerpywalny zbiornik ciepła. Takimi zbiornikami ciepła, wykorzystywanymi w pompach ciepła są grunt, wody gruntowe lub powierzchniowe, powietrze albo ścieki. W dolnym źródle ciepła ułożony / zanurzony jest kolektor rurowy. W kolektorze w obiegu wymuszonym przez pompę przepływa czynnik roboczy.

Pompa ciepła jest to urządzenie, które za pośrednictwem czynnika grzewczego pobiera ciepło od dolnego źródła ciepła. Następnie podnosi jeszcze temperaturę tego czynnika. Po czym czynnik ten oddaje ciepło do źródła górnego. Można więc powiedzieć, że pompa ciepła nie wytwarza ciepła, przenosi je jedynie z dolnego źródła do górnego, podwyższając po drodze energię cieplną kosztem niewielkiego nakładu energii elektrycznej. Zasadniczymi elementami składowymi pompy ciepła są sprężarka, skraplacz, zawór rozprężny i parownik. Urządzenia te połączone są w jeden obieg w którym krąży czynnik roboczy o niskiej temperaturze parowania.

Górne źródło ciepła to po prostu domowa instalacja grzewcza, która rozprowadza ciepło po budynku a także zasobnik do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Aby grunt był źródłem ciepła dla pompy ciepła należy w gruncie zainstalować poziomy lub pionowy kolektor gruntowy. Kolektor poziomy to układ rur ułożonych w pętle na pewnej głębokości pod poziomem gruntu. Kolektor pionowy wykonuje się wpuszczając pojedyncze u-kształtne pętle rur w pionowe, głębokie odwierty w gruncie.

Pionowy kolektor gruntowy

Poziomy kolektor gruntowy

 

 

 

 

 

 

 

W rurach tych krąży czynnik roboczy (roztwór wodny glikolu propylenowgo) powszechnie zwany solanką. Czynnik ten odbiera ciepło od gruntu, jest po prostu ogrzewany podczas przepływu przez kolektor. Temperatury gruntu jako źródła ciepła jest nieporównywalnie niższa od temperatury uzyskiwanej ze spalania paliw. Jednak każde ciało mające temperaturę wyższą od zera bezwzględnego, którego wartość wynosi –273,150C, posiada energię i może ją przekazać w postaci temperatury. Tą energią jest energia kinetyczna ruchu cząsteczek i atomów. Ruch ten ustaje dopiero w temperaturze zera bezwzględnego.

Ciepło samoistnie zawsze przechodzi od ciała cieplejszego do chłodniejszego, nigdy odwrotnie. Aby móc odebrać ciepło od gruntu czynnik krążący w kolektorze gruntowym, ma początkowo temperaturę niższą niż temperatura gruntu. Przepływając przez kolektor umieszczony w gruncie czynnik zostaje ogrzany i wraz z przepływem w kolektorze unosi ciepło dalej. Na swojej drodze przepływu w obiegu dolnego źródła, solanka przepływa przez parownik (wymiennik ciepła). Jest to punkt wspólny obiegu dolnego źródła ciepła i pompy ciepła. W parowniku następuje przekazanie ciepła do czynnika krążącego w obiegu pompy ciepła. Przekazywanie ciepła w parowniku a także w skraplaczu oraz w kolektorze umieszczonym w gruncie następuje przez przewodzenie. W parowniku drgające cząsteczki cieplejszej solanki przekazują swoją energię kinetyczną ściankom wymiennika a właściwie cząsteczkom z którego jest zbudowany a te z kolei przenoszą drgania do czynnika roboczego pompy ciepła. Czynnik przepływając w instalacji unosi ciepło poprzez konwekcję.

Pompa ciepła zasada działania

Na rysunku widać jak solanka po oddaniu ciepła w parowniku powraca do obwodu dolnego źródła ciepła. Natomiast w układzie pompy ciepła ogrzany czynnik roboczy w postaci gazowej jest zaciągany przez sprężarkę. Sprężanie czynnika w sprężarce powoduje znaczne podniesienie jego temperatury. Zjawisko wzrostu temperatury podczas podnoszenia ciśnienia możemy zaobserwować chociażby przy pompowaniu opony w rowerze, kiedy ścianki trzymanej w ręku pompki wyraźnie się nagrzewają. To nagrzewa się sprężane w pompce powietrze.

Gorący już teraz czynnik roboczy przepływa do skraplacza. Skraplacz jest wymiennikiem ciepła, w którym następuje przekazanie ciepła wodzie krążącej w obiegu górnego źródła ciepła czyli w układzie centralnego ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Schłodzony w skraplaczu czynnik roboczy ulega skropleniu. Ogólnie rzecz biorąc obniżanie temperatury gazu prowadzi w efekcie do jego skroplenia. Temperatura przy której gaz zaczyna się skraplać nazywa się temperaturą punktu rosy. Zjawisko to doskonale ilustruje oszronienie butelki z napojem wyciągniętej z lodówki w upalny dzień. Temperatura ścianki butelki jest niższa od temperatury otoczenia. Para wodna zawarta w powietrzu w postaci gazu skrapla się przy zetknięciu z zimną butelką.

Teraz czynnik roboczy w postaci ciekłej, cały czas pod wysokim ciśnieniem, dostaje się do zaworu rozprężnego. Przepływając przez zawór rozprężny zostaje gwałtownie obniżone ciśnienie czynnika, jednocześnie jego temperatura obniża się do temperatury ujemnej. Zawór rozprężny jest długą cienką kapilarą, przez którą przeciska się czynnik roboczy.

Gwałtowne rozprężanie gazu prowadzi do obniżenia jego temperatury. Cząsteczki gazu są w nieustannym ruchu a temperatura jest miarą energii kinetycznej ruchu cząsteczek. Na energię tą składa się ruch drgający, wirowy i postępowy. Według teorii kinetyczno – molekularnej wzajemna odległość cząsteczek gazu jest na tyle duża w porównaniu z ich rozmiarami, że cząsteczki nie oddziałują na siebie siłami potencjalnymi przyciągania czy odpychania. Jedynie podczas swojego ruchu postępowego odbijają się sprężyście od siebie nawzajem zmieniając tor swojego ruchu, nie zmieniając przy tym prędkości. Przy rozprężaniu gazu dochodzi do zwiększenia odległości pomiędzy jego cząsteczkami, do odsunięcia się wzajemnego cząsteczek od siebie. W tym wypadku, podczas zderzenia musi być jeszcze uwzględniony wektor prędkości oddalenia się wzajemnego cząsteczek, który ma przeciwny zwrot z wektorami prędkości ich zderzenia. W wyniku tego prędkość cząsteczek maleje, maleje jego energia kinetyczna a to przenosi się na spadek temperatury gazu.

W przypadku rozpatrywania zjawiska dławienia gazów rzeczywistych zakłada się, że cząsteczki gazu oddziałują na siebie energią potencjalną wzajemnego przyciągania. Rozprężanie gazu powoduje zwiększenie odległości pomiędzy jego cząsteczkami. Zwiększenie odległości wymaga wykonania przez cząsteczki pracy na pokonanie sił wzajemnego przyciągania. Powoduje to zmniejszenie energii kinetycznej ruchu cząsteczek co daje w efekcie obniżenie temperatury gazu.

Zjawisko obniżania temperatury przy rozprężaniu możemy zaobserwować przy dmuchaniu ustami w celu ochłodzenia na przykład gorącej herbaty. Ułożenie ust w niewielki otwór prowadzi do rozprężania powietrza i jego ochłodzenia a już wydmuchiwanie przez rozwarte usta nie powoduje ochłodzenia wypływającego powietrza.

Teraz czynnik roboczy jest gotowy do odebrania ciepła z dolnego źródła w parowniku. Pobierając ciepło czynnik odparowuje, tak jak paruje gotująca się woda w garnku. Wrzenie jest to parowanie cieczy w całej objętości. Parowaniu sprzyja obniżone ciśnienie czynnika. Na poniższym rysunku krzywa parowania pokazuje zależność temperatury parowania (wrzenia) od ciśnienia. Obniżając ciśnienie obniżamy też temperaturę, w której woda zaczyna wrzeć.

Wykres fazowy wody

Dodatkowo podczas zmiany stanu skupienia z płynnego na gazowy czynnik jest w stanie pobrać dużo więcej ciepła niż gdyby przemiana fazowa nie zachodziła. Dlatego w pompach ciepła i w chłodziarkach dla danego czynnika roboczego, tak dobiera się wartości temperatury i ciśnienia , aby w skraplaczu i parowniku zachodziły zmiany stanu skupienia czynnika roboczego.

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