Pompe de caldura

Pompa de caldura este un dispozitiv cu ajutorul caruia se poate transporta caldura de la o locatie ("sursa") la o alta locatie ("radiator" sau "schimbator de caldura") folosind lucru mecanic, de obicei in sens invers directiei naturale de miscare a caldurii. Majoritatea pompelor de caldura sunt folosite pentru a muta caldura de la o sursa cu temperatura mai mica la un radiator cu temperatura mai mare.^[3]Cele mai comune exemple de astfel de pompe se regasesc in frigidere, congelatoare, aparate de aer conditionat si invertoare de caldura.

Functionarea pompelor de caldura se bazeaza pe proprietatile unui fluid la schimbarea starii de agregare, mai precis la lichefiere si evaporare. Cel mai adesea pompele de caldura extrag caldura din aer sau pamant, motiv pentru care unele din ele nu mai lucreaza eficient cand temperatura mediului scade sub -5 °C.

Modul de operare al pompelor de caldura

In conformitate cu principiul al doilea al termodinamicii, caldura nu poate “curge” spontan dintr-o locatie mai rece intr-o zona mai calda; lucru mecanic este necesar pentru a realiza acest lucru.

Avand in vedere ca pompa de caldura sau frigiderul utilizeaza un anumit lucru mecanic pentru a muta lichidul refrigerant, cantitatea de energie depusa pe partea de cald este mai mare decat cea luata din partea rece.

Cele mai intalnite pompe de caldura functioneaza prin exploatarea proprietatilor fizice ale unui fluid cunoscut sub denumirea de "agent frigorific" atunci cand acesta trece prin procese de evaporare si de condensare.

Reprezentare schematica a ciclului de funcţionare prin vaporizare-condensare pentru o pompa de caldura: 1) condensator, 2) supapa de expansiune, 3) evaporator, 4) compressor.

Fluidul de lucru, in stare gazoasa, este sub presiune si circulat prin sistem prin intermediul unui compresor. La iesirea din compresor, gazul acum fierbinte si sub presiune mare este racit intr-un schimbator de caldura numit "condensator", pana cand condenseaza intr-un lichid aflat la o presiune mare si o temperatura moderata. Agentul frigorific condensat trece apoi printr-un dispozitiv de scadere a presiunii ca o supapa de expansiune, un tub capilar, sau eventual un dispozitiv extractor de lucru mecanic, cum ar fi o turbina. Dupa acest dispozitiv, lichidul refrigerant aflat acum intr-o stare quasi-lichida trece printr-un alt schimbator de caldura numit "evaporator" in care agentul refrigerant se evapora prin absorbtie de caldura. Fluidul revine astfel la compresor si ciclul se repeta.

Intr-un astfel de sistem este esential ca agent frigorific ajunga la o temperatura suficient de mare atunci cand comprimat, deoarece conform legii a doua a termodinamicii caldura nu poate curge dintr-un mediu rece la unul mai cald. Practic, acest lucru inseamna ca agentul frigorific trebuie sa ajunga la o temperatura mai mare decat cea ambientala in jurul schimbatorul de caldura din partea de presiune inalta. In mod similar, lichidul trebuie sa ajunga la o temperatura suficient de scazuta dupa expansiune pentru a putea absorbi energie termica din mediul rece, adica lichidul trebuie sa fie mai rece decat mediul inconjurator schimbatorului de caldura din partea de joasa presiune. In special, diferenta de presiune trebuie sa fie suficient de mare pentru fluidul sa condenseze in partea fierbinte si sa se poata inca evapora in regiunea de presiune mai mica, la partea rece. Cu cat se doreste o diferenta de temperatura mai mare, cu atat mai mare diferenta de presiune necesara va fi mai mare si prin urmare, mai multa energie necesara pentru a comprima fluidul. Astfel, in cazul tuturor pompelor de caldura, eficienta energetica (cantitatea de caldura mutata pe unitate de lucru mecanic consumat) scade cu cresterea diferentei de temperatura.

Frigiderele, aparatele de aer conditionat precum si unele sisteme de incalzire sunt aplicatii obisnuite care utilizeaza aceasta tehnologie. Datorita necesarului foarte variat de temperaturi si de presiuni, sunt disponibili multi agenti frigorifici diferiti.

In aplicatii din domeniul climatizarii, o pompa de caldura se refera in mod normal la un dispozitiv de vaporitare-condensare care include o supapa dublu-sens si schimbatoare de caldura optimizate, astfel incat directia fluxului de caldura poate fi inversat. Prin intermediul supapei se selecteaza directia pe care circula agentul refrigerant pe parcursul unui ciclu si prin urmare, pompa de caldura poate furniza unei cladiri fie incalzire fie racire. In climatele mai reci setarea implicita a supapei este de incalzire, in timp ce setarea implicita in climatele calde este de racire. Pentru ca cele doua schimbatoare de caldura, condensator si vaporizator, trebuie sa schimbe intre ele functiile, ele sunt optimizate pentru a efectua in mod corespunzator in ambele moduri. Ca atare, eficienta unei pompe de caldura reversibila este de obicei usor mai mica decat cea a doua masini separate optimizate pentru un singur proces.

In aplicatiile de instalatii sanitare, o pompa de caldura este uneori utilizata pentru incalzirea sau preincalzirea apei pentru piscine sau incalzitoare de apa menajera.

In aplicatii oarecum rare, ambele capacitati atat de extractie cat si de adaugare de caldura pot fi utile si de obicei rezulta in utilizarea foarte eficienta a energiei de intrare. De exemplu, atunci cand un aparat de aer conditionat folosit pentru racire poate fi adaptat la un aparat pentru incalzirea apei, o singura pompa de caldura poate sluji la doua scopuri utile. Din pacate, aceste situatii sunt rare din cauza cererii semnificativ diferite pentru profile de incalzire si racire.

Agenti frigorifici ai pompelor de caldura

Pana in anii 1990, agentii frigorifici folositi cu preponderenta erau clorofluorocarburi, cum ar fi R-12, parte din clasa florurilor clasice. Productia acestor agenti a fost oprita in 1995 datorita impactului negativ pe care acestia il aveau asupra stratului de ozon. Au fost inlocuiti cu hidroclorofluorocarburi, mai cunoscute ca R-134a. Acesti agenti au inlaturat problemele legate de instabilitatea clorului la expunerea la ultraviolete, dar aveau eficienta mai scazuta comparativ cu R-12, necesitand un aport mai mare de energie mecanica. In aceeasi perioada s-au mai introdus amoniacul (NH₃) si propanulsau butanul, mai putin corozivi dar inflamabili.

Incepand cu anul 2001 s-a introdus dioxidul de carbon, cunoscut ca R-744. In aplicatii rezidentiale si comerciale hidroclorofluorocarburile, R-22, sunt in continuare raspandite, desi utilizarea hidrofluorocarburilor este in crestere, fiind considerati froni de substitutie definitiva pentru ca nu contin clor si astfel nu dauneaza deloc stratului de ozon. In aparate cu ciclu Stirling sunt folositi ca agenti refrigeranti hidrogenul, heliul, azotul si chiar aerul, fiind astfel aparatele cele mai prietenoase pentru mediu. Cele mai recente aparate incearca folosirea izobutanului, R-600A, un agent ce nu distruge stratul de ozon si este considerat ”verde”.

Tipuri de pompe de caldura

Cele doua tipuri principale de pompe de caldura sunt pompe de caldura cu compresie si pompe de de caldura cu absorbtie. Pompe de caldura cu compresie intotdeauna functioneaza pe energie mecanica (prin energie electrica), in timp ce pompele de caldura cu absorbtie pot rula si pe caldura ca sursa de energie (prin intermediul de energie electrica sau combustibili). 

O serie de surse au fost folosite ca surse de caldura pentru incalzirea cladirilor private si administrative:

• §pompe de caldura pe sursa de aer (extrag caldura din aerul exterior)

  • §pompe de caldura aer-aer (transfera energie termica aerului din interior)
  • §pompe de caldura aer-apa (transfera energie termica la un rezervor de apa)

   

• §pompe de caldura geotermale (extrag caldura din sol sau din surse similare)

  • §pompe de caldura geotermale-aer (transfer de energie termica catre aerul din interior)

    • §pompe de caldura sol-aer de (solul este sursa de caldura)
    • §pompe de caldura roca-aer de (roca este sursa de caldura)
    • §pompe de caldura apa-aer (corp de apa ca sursa de caldura)

     

  • §pompe de caldura geotermale-apa (transfera caldura la un rezervor de apa)

    • §pompe de caldura sol-apa (solul este sursa de caldura)

    • §pompe de caldura roca-apa (roca este sursa de caldura)

    • §pompe de caldura apa-apa (corp de apa ca sursa de caldura)