|
|
|
|
Pompa ciepła - Co to jest pompa ciepła i jak działa?
Pompa ciepła jest urządzeniem, które transportuje ciepło od poziomu niższej temperatury do poziomu wyższej temperatury, kosztem pewnego wkładu doprowadzanej "energii napędowej". Przykładem takiego urządzenia, dzisiaj znanym dobrze już chyba wszystkim, jest chłodziarka sprężarkowa (lodówka), która przecież transportuje ciepło z wnętrza chłodziarki do pomieszczenia, w którym chłodziarka się znajduje, rys. 1. Jak wszyscy dobrze wiemy, temperatura wewnątrz chłodziarki jest niższa od temperatury na zewnątrz chłodziarki - to jest w pomieszczeniu. Ciepło - dopływające do wnętrza chłodziarki przez izolacje bądź zawarte we wkładanych produktach spożywczych - jest usuwane z chłodziarki do pomieszczenia (czyli na zewnątrz chłodziarki) ze skraplacza. Znajduje się on zwykle na tylnej ścianie chłodziarki. Łatwo można sprawdzić - termometrem lub po prostu ręką - iż skraplacz oddaje ciepło, to znaczy ogrzewa pomieszczenie, w którym znajduje się chłodziarka. Odbywa się to kosztem energii elektrycznej, zużywanej przez chłodziarkę w procesie transportu ciepła (do napędu sprężarki).
Rys. 1. Transport ciepła i przepływy energii w chłodziarce Z:
1 - dopływ ciepła przez izolację
2 - energia napędowa (sprężarki SP)
3 - oddawanie ciepła w skraplaczu S
Sama sprężarkowa pompa ciepła składa się z tych samych elementów co sprężarkowa chłodziarka: parownika, sprężarki, skraplacza oraz zaworu rozprężnego, rys. 2. Elementy te połączone są przewodami umożliwiającymi przepływ czynnika roboczego pracującego w pompie ciepła. W wymiennikach ciepła wchodzących w skład pompy ciepła - parowniku i skraplaczu - wymiana ciepła następuje oczywiście zgodnie z zasadami termodynamiki, to znaczy ciepło płynie od czynnika o wyższej temperaturze do czynnika o niższej temperaturze, jak ilustruje to rys. 3.
Rys. 2. Schemat transportu ciepław pompie ciepła PC:
TG,CzR - górna temperatura czynnika roboczego pracującego w pompie ciepła,
TD,CzR - dolna temperatura czynnika roboczego pracującego w pompie ciepła,
W1 - parownik,
W2 - skraplacz.
Rys. 3. Szkic w układzie termodynamicznym (T,s) ilustrujący różnice temperatury w wymiennikach W1 (parownik) i W2 (skraplacz)pompy ciepła:
(CzR,PC),G - górna temperatura czynnika roboczego pompy ciepła,
(CzR,PC),D - dolna temperatura czynnika roboczego pompy ciepła,
CzR,GZ - temperatura czynnika roboczego górnego źródła,
CzR,DZ - temperatura czynnika roboczego dolnego źródła.
Sprężarkowa pompa ciepła działa dokładnie tak samo jak sprężarkowa chłodziarka, korzysta jedynie z innych rodzajów dolnych źródeł ciepła. O ile dla chłodziarki dolnym źródłem ciepła jest jej wnętrze, o tyle pompa ciepła pobiera ciepło z naturalnego środowiska (otoczenia - gruntu, wody lub powietrza). Górnym źródłem ciepła dla chłodziarki jest pomieszczenie, w którym jest ustawiona; dla pompy ciepła górnym źródłem ciepła są ogrzewane przez nią pomieszczenia bądź zbiornik ciepłej wody użytkowej. Bilans ciepła pompy ciepła, analogiczny do bilansu chłodziarki, przedstawiony jest schematycznie na rys. 4. Warto zwrócić uwagę na fakt wykorzystania do celów grzewczych sumy energii Q1 pobieranej z dolnego źródła oraz energii napędowej Q2, to znaczy użytkownik dysponuję energią Q3 = (Q1 + Q2). Ważne są jednak proporcje między energią Q1, pobieraną z dolnego źródła, oraz energią napędową Q2. Rzecz w tym, że za Q2 trzeba płacić. Warto więc dołożyć starań, aby zużywając jednostkę energii Q2 pozyskać z otoczenia jak najwięcej jednostek energii Q1 - za którą nie trzeba płacić, przynajmniej na razie. Efektywność pompy ciepła przyjęto powszechnie określać współczynnikiem COP, rys. 4 (ang. - Coefficient Of Performance). Jego wartość w różnych zastosowaniach pomp ciepła waha się w przedziale od 3 do nawet 8, i głównie zależy od różnicy temperatury między źródłami ciepła górnym i dolnym. Ze wzrostem tej różnicy temperatury COP maleje, co jakościowo ilustruje rys. 5.
Rys. 4. Schemat przepływów energii do jej do bilansu:
Q1 - ciepło pobrane z dolnego źródła (grunt, woda, powietrze),
Q2 - energia napędowa,
Q3 - ciepło oddane w górnym źródle.
Rys. 5. Szkic zależności efektywności pompy ciepła COP od różnicy temperatury między źródłami górnym i dolnym.
Kompletna instalacja ogrzewania z pompą ciepła obejmuje wymienniki ciepła dolnego i górnego źródeł ciepła, w których czynnik roboczy jest inny niż czynnik roboczy w samej pompie ciepła, rys. 6 i rys. 7.
Rys. 6. Schemat instalacji grzewczej z pompą ciepła PC:
DZ - dolne źródło(grunt, woda, powietrze),
W1 - parownik pompy ciepła,
W2 - skraplacz pompy ciepła,
GZ - górne źródło ciepła(grzejniki, zbiornik ciepłej wody).
Rys. 7. Podstawowymi elementami instalacji z pompą ciepła są:
1 - sprężarka,
2 - skraplacz,
3 - parownik,
4 - zawór rozprężny,
5 - wymiennik dolnego źródła ciepła (grunt, woda, powietrze),
6 - wymiennik (wymienniki) górnego źródło ciepła (grzejniki, zbiornik ciepłej wody).
|
|
|