Przemiany termodynamiczne czynnika roboczego pompy ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem, które transportuje ciepło z obszaru chłodniejszego (np. grunt, powietrze zewnętrzne, zbiornik wodny) 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 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 schematowi pompy ciepła i przeanalizować przemiany termodynamiczne czynnika roboczego zachodzące w jej podzespołach.

Zasadniczymi elementami pompy ciepła są parownik (1), sprężarka (2), parownik (3), zawór rozprężny (4) oraz łączące te elementy przewody, w których krąży czynnik roboczy (ciecz  robocza).

Do przenoszenia ciepła wykorzystywane są zjawiska parowania i skraplania oraz zasada, że ciepło może przechodzić tylko od ciała o wyższej temperaturze do ciała o temperaturze niższej. Aby ciecz robocza mogła odparować musi pobrać ciepło. Kiedy ciecz robocza ulega skropleniu – oddaje ciepło. Ciepłe pary czynnika roboczego skroplą się tylko przy zetknięciu się z ciałem o niższej temperaturze. Zetknięcie się ciał o różnych temperaturach spowoduje oddanie ciepła ciału zimniejszemu.

Czynniki robocze są to ciecze, które tak jak woda podlegają parowaniu podczas wrzenia oraz skraplaniu podczas obniżania temperatury. Należy mieć jedynie świadomość tego, że temperatury wrzenia tych czynników są dużo niższe niż wody. Temperatury te wynoszą kilkadziesiąt stopni poniżej 0^oC. Dlatego wydostając się z uszkodzonej instalacji pompy ciepła, klimatyzatora czy lodówki przyjmują postać gazu.

Dodatkowym parametrem, który należy mieć na uwadze jest ciśnienie. Jeżeli zwiększy się ciśnienie cieczy lub gazu, przemiany fazowe (parowanie-skraplanie i zamarzanie-rozmrażanie) będą zachodziły w wyższych temperaturach.

Może jeszcze warto przybliżyć pojęcie entalpii, ponieważ rozpatrując działanie pompy ciepła jest ono niezbędne.

Kto chce może odszukać sobie definicję entalpii w każdym podręczniku termodynamiki. Dla naszych rozważań można też rozpatrzyć pojęcie entalpii omawiając termin „zmiana entalpii”. Wyobraźmy sobie balonik wypełniony jakimś gazem. Balonik i równocześnie zawarty w nim gaz podgrzewamy (dostarczamy ciepło). Temperatura gazu wzrasta co oznacza, że wzrasta jego energia wewnętrzna (cząsteczki gazu poruszają się szybciej przez co zwiększa się ich energia kinetyczna) jednocześnie zwiększa się objętość gazu i rozpycha ścianki balonika tak, że balonik staje się większy. Zmianę entalpii gazu w baloniku można zapisać:

dH = dU + p*dV

Zmiana entalpii gazu w baloniku dH jest równa dostarczonemu ciepłu. Ciepło to zostało częściowo zużyte na zwiększenie energii wewnętrznej gazu dU (wzrost temperatury) a częściowo na zwiększenie objętości gazu dV. Zwiększenie objętości gazu przy niezmienionym ciśnieniu p jest tutaj pracą p*dV  jaką wykonał gaz „rozpychając” otoczenie.

Przyjrzyjmy się odparowaniu wody przy stałym ciśnieniu. Woda znajduje się w naczyniu przykrytym szczelnym, ruchomym tłoczkiem. Tłoczek ma jakiś ciężar i ten ciężar gwarantuje stałe ciśnienie w naczyniu.

Procesy zachodzące na rysunku 2. odwzorowuje wykres na rysunku 3. Wykres ten opisuje zależność entalpia – ciśnienie dla wody. Przyrost entalpii jest tutaj wynikiem dostarczenia wodzie ciepła. Obszar pod krzywą w kształcie odwróconej litery U jest obszarem mieszaniny wody i pary. Jest to obszar przemiany fazowej wody w parę lub pary w wodę i odpowiada na rysunku 2. fazie III (para nasycona mokra). Na lewo od tego obszaru woda znajduje się w stanie cieczy natomiast na prawo woda jest w postaci pary. Na wierzchołku krzywej odwróconego U znajduje się punkt krytyczny. Punkt ten wyznacza temperaturę krytyczną (dla wody 374,12⁰C), powyżej której nie można skroplić wody bez względu na to jak będzie zwiększało się ciśnienie. Temperatura punktu krytycznego jest najwyższą temperaturą, w której można jeszcze wodę skroplić. Wymaga to ciśnienia 221,15 bar.

Poza ciśnieniem i entalpią z diagramu można odczytywać temperaturę. Na diagramie poprowadzone są linie stałej temperatury – izotermy. Doskonale widać, że podczas procesu przechodzenia wody w parę, temperatura pary i wody pozostaje stała i wynosi 100 ⁰C (izoterma 100 ⁰C przebiega poziomo).

Kolejnym parametrem, który można odczytać a wykresu jest stopnia suchości pary. Kolorem zielonym w obszarze mieszaniny parowo-wodnej oznaczono linie stopnia suchości pary, które określają procentowo zawartość pary nasyconej w całkowitej masie wody i pary. Stopień suchości pary mówi o stanie zaawansowania przemiany fazowej –  parowania lub skraplania

W obszarze pary przegrzanej kolorem niebieskim pociągnięto linie stałej entropii – izentropy.

Pozioma prosta A-B-C-D na rys. 3. obrazuje przebieg procesu podgrzewania wody pod stałym ciśnienie z rys.2.

Odcinek A – B: podgrzewaniu wody towarzyszy wzrost jej temperatury i entalpii. (faza I na rys. 2.)

Punkt B: podgrzewana woda osiąga temperaturę 100 ⁰C i linię nasycenia cieczy. Entalpia wynosi ok. 420 kJ/kg. (faza II na rys. 2.)

Odcinek B – C: ciepło w dalszym ciągu jest dostarczane, temperatura mieszaniny woda-para nie zmienia się. Cała dostarczona energia cieplna jest zużywana na przemianę wody w parę (ciepło utajone) i pracę przepchnięcia tłoczka zamykającego naczynie. (faza III na rys. 2.)

Punkt C: Cała woda zamieniła się w parę, która w dalszym ciągu ma temperaturę 100 ⁰C. Osiągnęła już linię nasycenia pary. Entalpia wynosi ok. 2680 kJ/kg. (faza IV na rys. 2.)

Odcinek C – D: Para jest podgrzewana w dalszym ciągu, zwiększa się jej entalpia i rośnie jej temperatura pary. (faza V na rys. 2.)

Z wykresu na rys 3. możemy odczytać ilość energii jaką należy dostarczyć poszczególnym procesom przemiany wody.

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 x 1kg wody = 377 kJ).

Rzutując odcinek B-C na oś entalpii odczytamy, że na odparowanie 1 kg wody potrzeba 2260 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

Do pompy ciepła zostaje doprowadzone ciepło ze źródła dolnego (np. gruntu). Ciepło to zostaje w parowniku (rys.1) 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. 0^oC. Pamiętajmy, że czynnikami grzewczymi nie jest woda, która odparowuje w 100^oC, 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 0^oC, więc nie skropli się w temperaturze np. 30^oC, tylko nadal pozostanie w postaci pary.

Aby rozwiązać ten problem należy pary czynnika sprężyć. Sprężając czynnik roboczy podwyższamy jego temperaturę skraplania. Będzie mógł się on wtedy skroplić w temperaturze jaka panuje w skraplaczu. Sprężaniem zajmuje się oczywiście sprężarka (rys. 1)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.

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 (rys.1) czynnik, który jest teraz w postaci pary, skrapla się i oddaje ciepło wodzie grzewczej w instalacji, odcinek C-D. Następuje tu proces oddania ciepła utajonego, które było wcześniej wykorzystane do przemiany cieczy w parę.

Dalej czynnik przepływa przez zawór rozprężny (odcinek D-A) i ulega swobodnemu rozprężaniu. Podczas rozprężania obniża się jego temperatura. Jest to zjawisko Joule’a Thomsona, którego nie będziemy tutaj omawiać.

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 – poprawa sprawności poprzez dodatkowy wtrysk pary).

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

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.

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