Toplotna črpalka

Kaj je toplotna črpalka?

Objavljeno: 23. 01. 2012
Andrej Lavrič

Toplotna črpalka je energetsko varčen način oskrbe s toploto. Uporablja se prvenstveno za ogrevanje zraka in vode v varčnih ali pasivnih stanovanjskih hišah. Toploto črpa iz okolice – zunanjega zraka, zemlje ali vode in jo na višji temperaturi posreduje uporabniku.

Prenos toplote omogoča delovna snov z ustreznimi termodinamičnimi lastnostmi. Prvotno so uporabljali klorfluorkarbonate CFC (CFC12 oziroma R12), kasneje hidroklorfluorkarbonate HCFC (HCFC22 oziroma R22).

Slaba stran:
Snov lahko pride v zgornje sloje ozračja, razpade in sprošča kloride, ki uničujejo ozon.
V nižjih plasteh ozračja vpija infrardeče žarke in ustvarja toplogredne pline.

Zadnje čase uporabljajo hidrofluorkarbonate HFC npr. mešanico s komercialnim nazivom R407C. Njena prednost je, da ne vsebuje kloridov in zato ne uničuje ozona. Slaba stran: ustvarja toplogredne pline. Termodinamično je podoben R22.

Fizikalne osnove toplotne črpalke

Toplotni tok teče sam od sebe iz toplejšega telesa proti hladnejšemu. Če želimo obrniti smer toka tako, da bo tekel od hladnejšega telesa proti toplejšemu, moramo dodati delo, kot kažejo enačbe:

Q_{2}=Q_{1}+A

A=Q_{2}-Q_{1}

A=Q_{2}(1-\frac{Q_{1}}{Q_{2}})=Q_{2}(\frac{Q_{2}-Q_{1}}{Q_{2}})

Če poenostavimo in predpostavimo, da je krožna sprememba povratna (reverzibilna), velja:

A=Q_{2}(1-\frac{Q_{1}}{Q_{2}})=Q_{2}(\frac{T_{2}-T_{1}}{T_{2}})

Pricip delovanja toplotne črpalke
Toplotni stroj

Pri tem je:

Q_{1}     toplota hladnega rezervarja v J
Q_{2}     toplota toplega rezervarja v J
T_{1}     temperatura hladnega rezervarja v K
T_{2}     temperatura toplega rezervarja v K

Zgornja enačba v drugi obliki predstavlja grelno število toplotne črpalke:

\frac{Q_{2}}{A}=\frac{T_{2}}{T_{2}-T_{1}}

Toplotna črpalka - blok shema
Blok shema toplotne črpalke

Ali kot razmerje toplotnega toka in moči:

\frac{P_{2}}{P}=\frac{T_{2}}{T_{2}-T_{1}}

Predpostavili smo, da je proces povraten in da je entropija S konstantna:

S=\frac{Q_{1}}{T_{1}}=\frac{Q_{2}}{T_{2}}

Zgled:

T_{1}=0^{\circ}C=273\,K
T_{2}=40^{\circ}C=313\,K

\frac{Q_{2}}{A}=\frac{P_{2}}{P}=\frac{T_{2}}{T_{2}-T_{1}}

\frac{Q_{2}}{A}=\frac{313\,K}{313\,K-273\,K}=7{,}8

Teoretično grelno število toplotne črpalke, ki bi zajemala hladen zrak na 0 C (273 K) ter ga oddajala na 40 C (313 K) bi bilo 7,8. Za 1kW grelne moči bi torej dobili 7,8 kW toplote.

Delovanje toplotne črpalke (Mollierov diagram):

Delovanja toplotne črpalke - Mollierov diagram
Mollierov diagram za toplotno črpalko

Opomba: entalpija na abcisni osi Mollierovega diagrama je enaka vsoti notranje energije in produkta tlaka in volumna (pV). Odvzem in oddaja toplote se vrši pri faznih spremembah, kjer je temperatura konstantna.

Točka 1 – 2
Delovna snov npr. R22 ali R407C odvzema toploto hladnemu telesu (npr. zunanjemu zraku, zemlji, talni vodi) s pomočjo izparevanja. V Mollierovem diagramu je to horizontalna črta med točko 1 in 2. Odčitana razlika med obema točkama na abcisni osi je 500 J/kg – 300 J/kg = 200 J/kg. Toliko toplote odvzame delovna snov okolici. Fazna sprememba izparevanja se v našem primeru vrši pri temperaturi 0 C in tlaku 500 000 Pa ( 5 barov).

Točka 2 – 3
Plin v točki 2 adiabatno stisnemo s pomočjo kompresorja. Narasteta tlak (na 15 barov) in temperatura (na 40 C), volumen se zmanjša. Delo, ki ga opravi kompresor je 35 J/kg.

Točka 3 – 4
Para se ponovno fazno spreminja v tekočino in pri tem odda 235 J toplote. Proces se vrši v kondenzatorju. Dobljena toplota s pomočjo toplotnega izmenjevalca segreva vodo, ki jo uporabimo za ogrevanje ali sanitarne namene.

Točka 4 – 1
Delovna snov se v ekspandorju razpne, tlak in temperatura ponovno padeta na začetno vrednost.

Toplotna črpalka bi imela v tem primeru grelno število: 235/35 = 6,7.

Teoretičen in praktičen učinek toplotne črpalke bo večji, čim višja bo temperatura okolice, iz katere zajema toploto in čim manjša bo temperatura ogrevanja. Zato je smiselno uporabiti talno in stensko ogrevanje stanovanjskih hiš, ki dopušča nižjo temperaturo ogrevalne vode kot radiatorsko ogrevanje.

Andrej Lavrič

O učenju

I cannot teach anybody anything, I can only make them think.

Socrates

Inštrukcije fizike

Pokličite GSM: 041 412 998 Inštrukcije fizike 

Priporočila na spletu

Facebook stran