zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfazobacz pdfa

Każda lodówka posiada z tyłu tajemniczą „drabinkę”, która jest ciepła podczas pracy urządzenia. Ciepło z naszych produktów, znajdujących się wewnątrz lodówki, jest odbierane (w pompie ciepła nazywa się to dolnym źródłem ciepła), a następnie przekazywane do „drabinki” (do górnego źródła ciepła), skąd rozprzestrzenia się po pomieszczeniu, które tym samym ogrzewa. Mamy więc z pompą ciepła do czynienia od dawna, chociaż nie zawsze to sobie uświadamialiśmy.

Nie uświadamiamy sobie też często tego, że nasze produkty w lodówce mają niższą temperaturę niż powietrze w pomieszczeniu, a mimo to ciepło „dolne” przechodzi do „górnego”, chociaż powszechnie wiemy, że zgodnie z naturą ciepło przechodzi z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej. To właśnie nasza lodówka jest tak skonstruowana i odpowiednio wykorzystuje zasady przepływu ciepła, że potrafi „przepompować ciepło z chłodnego do ciepłego”.

Dokładnie tak samo robi pompa ciepła. Różnica polega na tym, że jest to urządzenie o znacznie większej mocy i wydajności, które czerpie ciepło z innych, bardziej wydajnych obszarów natury (ziemi, wody, powietrza) i skutecznie ogrzewa większe obiekty budowlane, łącznie z wodą użytkową.

Schemat 1

Pompa ciepła jest obiegiem hydraulicznym (naukowe określenie: obieg termodynamiczny), wyposażonym w podstawowe podzespoły: sprężarkę i zawór rozprężny. Rys. 1a przedstawia tę, na razie okrojoną, wersję pompy ciepła. Wewnątrz instalacji znajduje się czynnik roboczy: płyn o szczególnych właściwościach fizyko-chemicznych, łatwo zmieniający stan skupienia z cieczy w gaz i odwrotnie, w zależności od ciśnienia i temperatury.

Sprężarka spręża czynnik roboczy i podnosi jego ciśnienie oraz temperaturę (na rysunku czerwona część instalacji). Zawór rozprężny powoduje odwrotną reakcję: obniża ciśnienie i temperaturę czynnika (na rys niebieska część instalacji). Mamy więc wyraźny podział instalacji pompy ciepła na część ciepłą i zimną.

Jeśli teraz uzupełnimy obieg pompy w dwa wymienniki ciepła, jeden w gałęzi ciepłej, drugi w gałęzi zimnej, będziemy mogli wykorzystać tę instalację do przesyłu ciepła z jednego ośrodka do drugiego, rys 1b. Zimny wymiennik (1) na zimnej (niebieskiej) gałęzi będzie pobierać ciepło i będzie on podłączony do dolnego źródła (ziemia, woda, powietrze), a ciepły wymiennik (2) na ciepłej (czerwonej) gałęzi będzie oddawać ciepło i będzie podłączony do górnego źródła (c.o. i c.w.u.).

W instalacji dolnego źródła czynnikiem roboczym będzie ciecz niezamarzająca do ok. -15oC. Zwykle stosuje się odpowiedni roztwór wodny glikolu propylenowgo. Roztwór ten określa się historyczną nazwą „solanka”. W górnym źródle (c.o. i c.w.u.) tradycyjnie stosuje się wodę. Taką pompę nazywa się powszechnie pompą typu solanka-woda.

W zamkniętym obiegu pompy ciepła (sprężarka-zawór rozprężny) znajduje się, jak wyżej wspomniano, płyn o szczególnych właściwościach. Sprężarka spręża ten płyn w postaci gazowej, przechodzi on do wymiennika (2), gdzie oddaje część swojego ciepła i ulega częściowemu skropleniu. Ten wymiennik nazywany jest skraplaczem. Łatwiej będzie zapamiętać i odróżniać oba wymienniki, gdy zapamiętamy, że wymiennik, który oddaje ciepło, „roni łzy”.

Płyn w postaci mieszaniny cieczy i gazu przechodzi dalej przez zawór rozprężny, gdzie ulega dalszemu skropleniu i dodatkowo ochładza się aż do ujemnych temperatur, a następnie przychodzi do wymiennika (1), gdzie ulega ogrzaniu i przemianie w gaz, odparowaniu. Ten wymiennik nazywany jest parowaczem – pobiera ciepło i bucha parą. I ta postać czynnika roboczego przechodzi ponownie do sprężarki.

Ważne jest, aby zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi pompy ciepła była ona przygotowana do odpowiednich zakresów temperatur źródła dolnego i górnego. Obowiązuje tu ww. zasada, że ciepło przechodzi z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej. Oznacza to, że czynnik roboczy w parowaczu musi być chłodniejszy niż temperatura dolnego źródła, wówczas pobierze ciepło z otoczenia, a czynnik roboczy w skraplaczu musi być cieplejszy niż temperatura górnego źródła, aby mógł oddać ciepło.

Proces poboru i oddawania ilości ciepła przez pompę jest określony konstrukcyjnie. Obowiązują tu ściśle ustalone reżimy tolerancji przepływów i temperatur na dolnym i górnym źródle. Można to określić jako zdolność pompy ciepła do transportu (przepompowywania) ciepła lub zdolność poboru i oddawania określonej ilości ciepła. Stąd producenci określają, jaki powinien być optymalny przepływ czynnika w dolnym źródle i odpowiedni spadek temperatury na parowaczu, podobnie też jak i przepływ w górnym źródle i spadek temperatury w skraplaczu.

Na rys. 2 przedstawiono poglądowy przykład schematu hydraulicznego pompy ciepła typu solanka-woda z zaznaczonymi parametrami termodynamicznymi: temperaturą i ciśnieniem w ważniejszych punktach obiegu. Na schemacie nie uwzględniono strat ciśnienia i temperatury na przepływach wewnątrz instalacji. Zacznijmy obserwację tych parametrów od sprężarki.

Schemat 2

Czynnik roboczy (gaz), jaki przychodzi do sprężarki, ma temperaturę +6,5oC i ciśnienie 4 barów. Niesie ze sobą energię dostarczoną przez dolne źródło. Za sprężarką ma temperaturę +67oC (ponad 10 razy wyższą) i ciśnienie 14 barów. Energia cieplna, jaką zgromadził czynnik roboczy, pochodzi już teraz z dolnego źródła i z procesu sprężania, tj. z prądu zasilającego sprężarkę. W skraplaczu czynnik roboczy pompy oddaje ciepło obiegowi górnego źródła (centralnemu ogrzewaniu lub wodzie użytkowej) i ulega częściowemu skropleniu. Jego parametr się zmienił: obniżyła się temperatura do +34oC , ciśnienie nie uległo zmianie.

Pozbawiony znacznej części ciepła czynnik roboczy powinien być skierowany bezpośrednio na zawór rozprężny. I tak dzieje się w większości pomp ciepła. W tym przykładzie czynnik kierowany jest do pośredniego wymiennika ciepła, w którym oddaje ciepło na rzecz czynnika zmierzającego do sprężarki i ochładza się do temperatury +25oC przy niezmienionym ciśnieniu. Ten dodatkowy wymiennik podnosi sprawność energetyczną samej pompy ciepła i zabezpiecza przed dostaniem się do sprężarki czynnika roboczego w fazie ciekłej, co byłoby dla sprężarki katastrofą.

Schłodzony w dodatkowym wymienniku czynnik roboczy dopływa do zaworu rozprężnego, którego wydajność jest regulowana tzw. serwomechanizmem, w zależności od temperatury i ciśnienia czynnika roboczego przed sprężarką. Za zaworem rozprężnym spada ciśnienie czynnika do 4 barów i temperatura do -3oC.

Uważny Czytelnik powie w tym miejscu z obawą, że czynnik roboczy utracił gdzieś ciepło, co byłoby niekorzystne dla sprawności energetycznej pompy, jak i efektu naszego ogrzewania. Nie, nie utracił ciepła. Rozważanie samych temperatur i ciśnień w procesach termodynamicznych nie zawsze prowadzi do prawidłowych wniosków. Dlatego termodynamicy posługują się pojęciem „entalpia”, tj. energią, jaka jest zawarta w jednostce masy czynnika. W tym ujęciu „nie gubi” się energii (ciepła), jednak przejście na grunt termodynamiki bardzo by nam skomplikowało i zaciemniło opis pracy pompy ciepła.

Zimny czynnik roboczy dopływa wreszcie do parowacza. Spotyka się tam z solanką dolnego źródła, która ma wyższą temperaturę i pobiera od niej ciepło oraz ulega przemianie fazowej z cieczy na gaz. Za parowaczem ma temperaturę już dodatnią +2,5oC i niezmienione ciśnienie 4 barów. Jeszcze tylko jeden krok – czynnik przepływa już w postaci gazu do dodatkowego wymiennika, gdzie jest ogrzany do temperatury +6,5oC i zmierza ponownie do sprężarki, niosąc ze sobą „darmowe” ciepło. Dotarliśmy do punktu, z którego wyszliśmy.

Opis budowy i działania pompy ciepła, przedstawiony powyżej, dotyczy najprostszych pomp i ogranicza się do części instalacji wewnętrznej pompy i zasadniczych kwestii jej działania. Można go dalej rozwijać. Nie charakteryzuje np. funkcji związanych ze sterowaniem, dla których pompa pracuje raz na centralne ogrzewanie, raz na ciepłą wodę albo chłodzi budynek. Nie wyjaśnia też, dlaczego pompa włącza się kilka razy w ciągu godziny, a innym razem kilka razy w ciągu dnia. Te zagadnienia zwykle absorbują posiadaczy pomp ciepła, szczególnie w pierwszym sezonie grzewczym.

Ten uproszczony, lecz, jak się wydaje, wystarczająco precyzyjny opis budowy i zasady działania pompy ciepła typu solanka-woda, powinien pomóc lepiej zrozumieć pompy ciepła.

dr inż. Jan Siedlaczek

Tabela. porównawcza kategorii niebezpieczeństwa z zagrożeniami zgodnie z dwoma dyrektywami (starą i nową).

Kategoria niebezpieczeństwa

Piktogram zgodny z dyrektywą 1999/45/WE, wraz z symbolem literowym

Piktogram zgodny z rozporządzeniem 1272/2008

Zagrożenia fizyczne, dla zdrowia i dla środowiska

 

o właściwościach wybuchowych

E  

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/explos.gif

Niestabilne materiały wybuchowe

materiały wybuchowe

materiały samoreaktywne

nadtlenki organiczne

 

o właściwościach utleniających

O 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/rondflam.gif

Gazy, ciecze, ciała stałe utleniające

 

łatwopalne

F+

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/flamme.gif

Gazy, aerozole, ciecze, ciała stałe  łatwopalne, substancje i mieszaniny samoreaktywne,

ciecze, ciała stałe piroforyczne, substancje i mieszaniny samonagrzewające się,

substancje i mieszaniny, które w kontakcie z wodą wydzielają łatwopalne gazy

 

żrące

C 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/acid_red.gif

Działania korodujące na metal,

działania żrące na skórę,

poważne uszkodzenia oczu

 

toksyczne

T +, T 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/skull.gif

Toksyczność ostra

 

drażniące

Xi 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/exclam.gif

Toksyczność ostra, działania drażniące na oczy, skórę;

działania uczulające na skórę,

działania drażniące drogi oddechowe,

skutek narkotyczny

 

uczulające

Xn lub Xi 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/silhouete.gif

Działania uczulające na drogi oddechowe

 

rakotwórcze

T 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/silhouete.gif

Rakotwórczość

 

mutagenne lub działające szkodliwie na rozrodczość

T 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/silhouete.gif

Działania mutagenne na rozrodczość, działania szkodliwe na rozrodczość, działania toksyczne na narządy docelowe narażenie  jednorazowe i powtarzalne

 

 

niebezpieczne dla środowiska

N 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/Aquatic-pollut-red.gif

Stwarzające zagrożenia dla środowiska wodnego

 

 

http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/danger/publi/ghs/pictograms/bottle.gif

Gazy pod ciśnieniem

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij