A hőszivattyú működése

Forrás: http://hu.wikipedia.org

A hőszivattyú olyan berendezés, mely arra szolgál, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű környezetből hőt vonjon ki és azt magasabb hőmérsékletű helyre szállítsa. A hőszivattyú elvileg olyan hűtőgép, melynél nem a hideg oldalon elvont, hanem a meleg oldalon leadott hőt hasznosítják. Minden olyan fizikai elv alapján készülnek hőszivattyúk, melyeket a hűtőgépeknél is használnak. Leggyakoribbak a gőzkompressziós elven működő berendezések, de léteznek abszorpciós hőszivattyúk is. A hőszivattyúk fordított üzemmódban is működnek, ekkor a melegebb hely hűtésére is használhatók. A hőszivattyúk fordított üzemmódban működtetett hőerőgépnek is felfoghatók.

Gőzkompressziós hőszivattyú működése

A gőzkompressziós hőszivattyúkban alkalmasan választott hűtőfolyadék gőze áramlik zárt csővezetékben. A gőz a fűteni kívánt oldalon elhelyezett kondenzátorban lecsapódik, miközben hőjét a kondenzátor csőfalán keresztül átadja vagy a helyiség levegőjének, vagy a központi fűtés vizének. Ezután a cseppfolyós hűtőközeg fojtószelepen keresztül expandál, eközben hirtelen elpárolog és hőmérséklete lecsökken. A kisnyomású, hideg gőzt a hideg oldali hőcserélőben a külső környezet felmelegíti, majd a kompresszor összesűríti és visszajuttatja a kondenzátorba, és a folyamat megismétlődik. Megfelelően kialakított hőszivattyúban az áramlás iránya megfordítható, ekkor a berendezés fűtés helyett hűti a helyiséget. A legtöbb esetben a hőszivattyúk hőforrásul a külső levegőt, vagy a talajt, esetleg természetes vizeket (Tenger, tó, folyó, talajvíz) használnak.

A hőszivattyú működése

A termodinamika második főtétele szerint a hő nem áramlik hidegebb helyről melegebbre spontán módon, külső munkát kell befektetni ahhoz, hogy ez a folyamat végbemenjen. A hőszivattyúk abban különböznek egymástól, hogy ezt a külső munkát milyen módon juttatják a rendszerbe, de alapvetően úgy fogható fel, hogy a hőszivattyúk fordított működésű hőerőgépek. A hőerőgépekben a meleg tartályból a hideg felé áramlik a hő, miközben a gép a hőenergia különbséget mechanikai munkává alakítja. Hasonlóképpen a hőszivattyú mechanikai munka bevitelét igényli ahhoz, hogy hőt áramoltasson hidegebbről melegebb helyre.

Mivel a hőszivattyú bizonyos mennyiségű munkát fektet be a hő szállításához, a hűtőközeg meleg oldalon mérhető energiája a befektetett mechanikai munkával nagyobb, mint a hideg oldalon mérhető. Ez hőerőgépnél fordítva igaz: a munkaközeg hőenergiája itt a hideg oldalon a termelt mechanikai munkával kisebb, mint a meleg oldalon.

A leggyakrabban használt hőszivattyú a szokás szerint hűtőközegnek nevezett munkaközeg elpárolgása és lecsapódása (lekondenzálódása) közben fellépő termodinamikai változásokat hasznosítja. A gőz állapotú munkaközeget egy kompresszor összesűríti és keringeti a rendszerben, ennek folyamán felmelegszik a munkaközeg, mely ezután egy kondenzátornak hívott hőcserélőben lehűl és lecsapódik. A kondenzátorban hőjét átadja a fűtendő helyiségnek, majd a folyékony halmazállapotú, mérsékelt hőmérsékletű csapadék nyomáscsökkentő berendezésen áramlik át, mely fojtószelep, kapilláris, esetleg hőhasznosító szerkezet, például turbina lehet. A nyomáscsökkentő berendezésen átáramló nagyrészt folyékony munkaközegegy másik hőcserélőbe, az elpárologtatóba jut, ahol a hűtőközeg elpárolog, miközben hőt vesz fel a környezetből. Ezután a hűtőközeg visszajut a kompresszorba és a folyamat mismétlődik. Megjegyzendő, hogy a munkaközeget a hőszivattyúknál is általában hűtőközegnek nevezik, noha a helyesebb elnevezés inkább fűtőközeg lenne, de a szokás onnan származik, hogy a hűtőgépek és a hőszivattyúk munkaközege megegyezik, és a korábban csak hűtőgépekkel foglalkozó szakemberek kezdtek később hőszivattyúkkal is foglalkozni.

A termodinamikai körfolyamat jól követhető az entrópia-hőmérséklet (T-s) diagramban. A folyamat az 1 pontból indul, ahol a közeg a po nyomáson telített gőz állapotban van. Az 1-2 folyamat adiabatikus kompresszió, mely a kompresszorban játszódik le. Ideális esetben ennek az állapotváltozásnak a képe a diagramban függőleges egyenes (izentropikus kompresszió), valóságban azonban az állapotváltozás irreverzibilis, az entrópia mindig növekszik, ezért a görbe jobb felé kissé elhajlik. A 2-5 folyamatok a kondenzátorban zajlódnak le: a 2-3 folyamat a túlhevítési hő elvonása, a 3. pontban a gőz eléri a telítettségi állapotot a p nyomáson. A 3-4 folyamat során a hőmérséklet nem változik, egyre több gőz csapódik le, a 4. pontban folyadék állapot alakul ki. A 4-5 szakasz a kondenzátorban a folyékony hűtőközeg esetleges utóhűtése, majd az 5-6 folyamat a fojtásos állapotváltozás, ez hirtelen nyomásesést jelent, melynek végén a közeg po nyomásra expandál, a folyadék egy része (mintegy a fele) hirtelen elpárolog és a közeg nedves gőz állapotba kerül, ez a folyamat izentalpikus, vagyis a folyamat közben az entalpia nem változik. Végül a 6-1 folyamat során az elpárologtatóban hőt vesz fel a közeg a hűtendő térből állandó hőmérsékleten és nyomáson, miközben a gőz nedvességtartalma állandóan csökken. Ekkor a közeg a körfolyamat kiindulási pontjára, az 1. állapotba jut vissza és a folyamat kezdődik elölről. Természetesen a fent leírtak ideális közegre vonatkoznak, a valóságos folyamatok kismértékben eltérnek ettől.

Az ilyen rendszereknél alapvetően fontos, hogy a hűtőközeg elegendően magas hőmérsékletet érjen el a kompresszor után a kondenzátorban, mivel a termodinamika második főtétele értelmében csak melegebb helyről áramlik hő a hidegebb felé. Hasonlóképpen a folyadék kellően alacsony hőmérsékletre kell lehűljön a fojtásos expanzió után, mivel az elpárologtatóban sem áramlik hidegebb helyről a melegebb felé hő. Ezen kívül a nyomáskülönbségnek kellően nagynak kell lennie, hogy a közeg lecsapódjék a meleg oldalon és elpárologjon a kisnyomású részen a hideg oldalon. Minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség, annál nagyobb nyomáskülönbség szükséges és következésképpen annál nagyobb energia szükséges a közeg komprimálására. Ennél fogva minden hőszivattyúra igaz, hogy a fajlagos fűtőteljesítmény (egységnyi befektetett munka által átvitt hő) csökken a hőmérsékletkülönbség növekedésével.

A különböző hőmérsékleti és nyomáskövetelményeknek megfelelően igen sokféle hűtőközeg áll rendelkezésre. A hűtőgépek, klímaberendezések és néhány fűtési rendszer is hasonló követelményeket támaszt a munkaközeggel szemben, így ezek a gépek hasonló technológiákra épülnek.

Az épületgépészetben alkalmazott hőszivattyúk általában gőzkompressziós elven működnek. Legtöbbször felszerelik egy olyan szeleppel és optimalizált hőcserélőkkel, melyek lehetővé teszik a hőáramlás megfordítását. A szelep átkapcsolásával a hűtőfolyadék áramlási iránya megfordítható, ilyenformán a hőszivattyú egyaránt képes fűteni és hűteni is az épületet. Hűvösebb éghajlaton a fűtés az alpállapot. A folyamat megfordíthatósága miatt a kondenzátor és elpárologtató működése időnként felcserélődik, ezért mindkettő olyan kialakítású, hogy mindkét üzemmódban betöltse funkcióját. Emiatt a fűtő-hűtő hőszivattyúk fajlagos fűtőteljesítmánye mindig kicsit kisebb, mint a csak fűtésre vagy csak hűtésre tervezett hőszivattyúké.

hőszivattyút használnak esetenként úszómedencék vizének előmelegítésére vagy háztartási melegvíz előállítására is.

Néhány esetekben egyetlen hőszivattyú képes ellátni a fűtési és melegvíz igényt is, azonban a két feladat eltérő követelményei miatt ez csak igen ritkán oldható meg.

Forrás: http://hu.wikipedia.org