POMPY CIEPŁA

Ciepło przepływa zawsze od ciał cieplejszych do chłodniejszych. Pompy ciepła każde ciało o temperaturze wyższej od zera absolutnego (-273,16 C) posiada zmagazynowany zasób energii wewnętrznej. Ilość tej energii zależna jest od temperatury tego ciała, jego masy i ciepła właściwego. W 1824 r. francuski inż. Carnot ogłosił teoretyczne rozwiązania idealnego silnika cieplnego. Silnik ten składa się tylko z cylindra i tłoka. W każdym cyklu używany jest ten sam gaz. Całe ciepło pobierane jest od źródła ciepła o temp. T1 i po wykonaniu cyklu pracy część ciepła oddawana jest chłodnicy o temp. T2. Źródło ciepła i chłodnica są tak skonstruowane, że ich temperatury są stałe w trakcie pracy silnika. W silniku nie ma tarcia wewnętrznego.

Podczas rozprężania w stałej temperaturze T1, gaz pobiera ciepło ze źródła ciepła Q1, a podczas sprężania w stałej temp. T2 oddaje do chłodnicy mniejszą ilość ciepła Q2. Obniżanie temperatury gazu od T1 do T2 zachodzi podczas adiabatycznego rozprężania, a ogrzanie od T2do T1 podczas adiabatycznego sprężania. Przymiotnik "adiabatyczny" oznacza, że nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem, czyli w tym przypadku nie ma wymiany ciepła miedzy źródłem a chłodnicą. Zatem przy adiabatycznym rozprężaniu silnik wykonuje dodatkową pracę kosztem energii wewnętrznej ( obniżenie temperatury), a przy adiabatycznym sprężaniu, cała potrzebna na przesunięcie tłoka, dostarczana z zewnątrz praca jest zużywana na wzrost energii wewnętrznej gazu (następuje wzrost temperatury).

Silnik Carnota ma większą wydajność niż jakikolwiek inny rzeczywisty silnik. Wydajność, czyli stosunek otrzymanej pracy do ilości pobranej energii cieplnej Q1, dla takiego idealnego silnika zależy wyłącznie od różnicy temperatur źródła ciepła i chłodnicy (temp. Podajemy w stopniach Kelvina).

Cykl pracy silnika może przebiegać w odwrotnym kierunku. W takim przypadku chłodny gaz rozprężając się w temp. T2 pobiera od chłodnicy ciepło Q2, a następnie podczas sprężania w temperaturze T1 oddaje ciepło do zbiornika ciepła o temp. wyższej T1. Zmiany temperatury gazu od T2 do T1 oraz od T1 do T2 zachodzą w wyniku procesów adiabatycznych. Jest to przecież ta sama maszyna tylko działająca w odwrotnym kierunku. Aby jednak proces odwrotny mógł przebiegać do silnika, należy dostarczyć nieco energii z zewnątrz aby wykonać prace sprężania gazu. Silnik Carnota pracujący w odwrotnym kierunku pobiera ciepło od zbiornika o niższej temperaturze przekazuje je do zbiornika ciepła o wyższej temperaturze. Urządzenie pobierające ciepło z zamkniętej przestrzeni i oddające je do otoczenia nazywamy lodówką. Jeżeli odwrócimy sytuację i ciepło będziemy pobierać z chłodniejszego otoczenia i pompować do pomieszczeń otrzymamy pompę ciepła.

Sprawność pompy ciepła definiujemy jako stosunek ciepła Q1 dostarczonego do pomieszczenia, do energii W potrzebnej do zasilania pompy. Sprawność idealnej pompy ciepła, podobnie jak sprawność idealnego silnika cieplnego, zależy wyłącznie od temperatur T1 i T2 zbiorników ciepła ( w stopniach Kelvina).

Jak widać, tak zdefiniowana wydajność idealnej pompy ciepła jest zawsze większa niż 100 %. Zakładając, np., że temperatura na zewnątrz domu wynosi 250K (-23 C), a wewnątrz 300K(+ 27 C) otrzymujemy: n = 300K / (300K - 250K) x 100 % = 600 %.

Tak więc zużywając 1kWh energii mechanicznej na pracę kompresora możemy pobrać 5 kWh ciepła z otocznia (wody, powietrza, gruntu) na zewnątrz domu i dostarczyć do wnętrza 6kWh ciepła. Zużywając pewną ilość energii mechanicznej na pracę kompresora do napędzania pompy ciepła można dostarczy od ogrzewania pomieszczeń kilkakrotnie więcej ciepła, niż gdyby tą samą ilość energii bezpośrednia zamienić na ciepło. W praktyce sprawność domowych pomp ciepła różni się od sprawności obliczonej teoretycznie i wynosi od 250 % do 450 % (określa to tzw. Współczynnik COP wynoszący w tym przypadku od 2,5 do 4,5).

Jakkolwiek samorzutnie ciepło przepływa zawsze od ciał cieplejszych do chłodniejszych to jednak stosunkowo niewielkim kosztem energetycznym przy pomocy pomp ciepła, można ten proces odwrócić i cieplejsze ogrzewać od chłodniejszego.

ZASADA DZIAŁANIA POMP CIEPŁA

1.Czynnik chłodniczy krąży w plastikowych kolektorach i jest ogrzewany przez podłoże skalne lub grunt.
2.Czynnik chłodniczy podgrzewa czynnik roboczy, który paruje.
3.Czynnik roboczy jest wówczas sprężany w kompresorze, powodując znaczny wzrost temperatury.
4.Ciepło jest przekazywane do systemu grzewczego domu i wody przez skraplacz.Woda z powrotu instalacji grzewczej powoduje skroplenie czynnika roboczego.
5.Czynnik roboczy w stanie ciekłym trafia do zaworu rozprężającego i na wskutek zmniejszenia ciśnienia spada jego temperatura.

RODZAJE POMP:

• Kolektor gruntowy poziomy
• Kolektor gruntowy pionowy
• Studnie
• Powietrze zewnętrzne