Hva er en luftvarmepumpe - enhet og muligheter. Sannheten om varmepumper Luftvarmepumper

En varmepumpe er en enhet som lar deg overføre varmeenergi fra en mindre oppvarmet kropp til en varmere kropp, og øke temperaturen. De siste årene har varmepumper vært etterspurt som en kilde til alternativ termisk energi, som gjør at du kan få skikkelig billig varme uten å forurense miljøet.

I dag produseres de av mange produsenter av varmeteknisk utstyr, og den generelle trenden er at det i årene som kommer er varmepumper som vil ta en ledende posisjon blant varmeutstyr.

Vanligvis bruker varmepumper grunnvannsvarme, hvis temperatur er omtrent på samme nivå hele året og er + 10C, varmen fra miljøet eller vannforekomster.

Prinsippet for deres drift er basert på det faktum at enhver kropp som har en temperatur over absolutt null har en termisk energireserve som er direkte proporsjonal med dens masse og spesifikke varmekapasitet. Det er klart at havene, havene, så vel som grunnvannet, hvis masse er stor, har en enorm tilførsel av termisk energi, hvis delvis bruk for oppvarming av et hjem ikke påvirker temperaturen og den økologiske situasjonen på planeten. .

Det er mulig å "plukke opp" termisk energi fra hvilken som helst kropp bare ved å avkjøle den. Mengden varme som frigjøres i dette tilfellet (i en primitiv form) kan beregnes ved hjelp av formelen

Q=CM(T2-T1), hvor

Q- mottatt varme

C-Varmekapasitet

M- vekt

T1 T2- temperaturforskjellen som kroppen ble avkjølt med

Det kan sees av formelen at når ett kilo kjølevæske avkjøles fra 1000 grader til 0 grader, kan man oppnå samme mengde varme som når 1000 kg kjølevæske avkjøles fra 1C til 0C.

Hovedsaken er å kunne bruke termisk energi og lede den til oppvarming av boligbygg og industrilokaler.

Ideen om å bruke den termiske energien til mindre oppvarmede kropper oppsto på midten av 1800-tallet, og forfatterskapet tilhører den tidens berømte vitenskapsmann, Lord Kelvin. Han kom imidlertid ikke lenger enn den generelle ideen. Det første designet for en varmepumpe ble foreslått i 1855 og var eid av Peter Ritter von Rittenger. Men han fikk ikke støtte og fant ikke praktisk anvendelse.

Varmepumpens «andre fødsel» går tilbake til midten av førtitallet av forrige århundre, da vanlige husholdningskjøleskap ble utbredt. Det var de som fikk sveitseren Robert Weber til å bruke varmen som genereres av fryseren til å varme opp vann til husholdningsbehov.

Effekten som ble oppnådd var fantastisk: mengden varme var så stor at den var nok ikke bare til varmtvannsforsyning, men også til oppvarming av vann til oppvarming. Riktignok måtte vi samtidig jobbe hardt og komme opp med et system med varmevekslere som gjør at vi kan utnytte den termiske energien som frigjøres av kjøleskapet.

Imidlertid ble Robert Webers oppfinnelse i begynnelsen sett på som en morsom idé, og ble oppfattet som ideer fra den moderne berømte Crazy Hands-spalten. Den virkelige interessen for det oppsto mye senere, da spørsmålet om å finne alternative energikilder virkelig dukket opp. Det var da ideen om en varmepumpe fikk sin moderne form og praktiske anvendelse.

Moderne varmepumper kan klassifiseres avhengig av kilden til lavtemperaturvarme, som kan være jord, vann (i et åpent eller underjordisk reservoar), samt uteluft.

Den resulterende termiske energien kan overføres til vann og brukes til vannoppvarming og varmtvannsforsyning, samt luft, og brukes til oppvarming og klimaanlegg. Gitt dette er varmepumper delt inn i 6 typer:

Fra jord til vann (grunn til vann)
Jord til luft (jord til luft)
Fra vann til vann (vann til vann)
Fra vann til luft (vann til luft)
Fra luft til vann (luft til vann)
Luft til luft (luft til luft)

Hver type varmepumpe har sine egne egenskaper ved installasjon og drift.

Installasjonsmetode og driftsegenskaper for varmepumpen GRUNNVANN

Jord universal leverandør av lavtemperatur termisk energi

Jorda har en kolossal reserve av lavtemperatur termisk energi. Det er jordskorpen som hele tiden akkumulerer solvarme og som samtidig varmes opp fra innsiden, fra kjernen av planeten. Som et resultat, på en dybde på flere meter, har jorden alltid en positiv temperatur. Som regel snakker vi i den sentrale delen av Russland om 150-170 cm. Det er på denne dybden at jordtemperaturen har en positiv verdi og ikke faller under 7-8 C.

Et annet trekk ved jorda er at selv i alvorlig frost fryser den gradvis. Som et resultat observeres minimum jordtemperatur i en dybde på 150 cm når kalenderfjæren allerede setter inn på overflaten og behovet for varme til oppvarming avtar.

Dette betyr at for å "ta bort" varme fra bakken i den sentrale delen av Russland, må varmevekslere for akkumulering av termisk energi være plassert på en dybde under 150 cm.

I dette tilfellet vil varmebæreren som sirkulerer i varmepumpesystemet, som passerer gjennom varmevekslerne, bli varmet opp av bakkens varme, deretter, når den kommer inn i fordamperen, overføre varme til vannet som sirkulerer i varmesystemet og returnere for en ny del av termisk energi.

Hva kan brukes som kjølevæske

Den såkalte «brine» brukes oftest som varmebærer i grunn-til-vann varmepumper. Den er laget av vann og etylenglykol eller propylenglykol. Freon brukes i noen systemer, noe som i stor grad kompliserer utformingen av varmepumpen og fører til en økning i kostnadene. Faktum er at varmeveksleren til denne typen pumpe må ha et stort varmevekslingsområde, og derfor et internt volum, som krever en passende mengde kjølevæske.

Freon bruk selv om det øker effektiviteten til varmepumpen, krever det absolutt tetthet av systemet og dets motstand mot høyt trykk.

For systemer med "brine" er varmevekslere vanligvis laget av polymerrør, oftest polyetylen, med en diameter på 40-60 mm. Varmevekslere er i form av horisontale eller vertikale kollektorer.

Det er et rør lagt i bakken på en dybde under 170 cm. Til dette kan du bruke en hvilken som helst ubebygd tomt. For enkelhets skyld og for å øke varmevekslingsområdet, legges røret i sikksakk, løkker, spiral, etc. I fremtiden kan dette stykket brukes til plen, blomsterbed eller grønnsakshage. Det skal bemerkes at varmevekslingen mellom jorda og oppsamleren er bedre i et fuktig miljø. Derfor kan overflaten av jorda trygt vannes og gjødsles.

Det antas at i gjennomsnitt 1m2 jord gir fra 10 til 40 W termisk energi. Avhengig av behovet for termisk energi, kan det være et hvilket som helst antall kollektorløkker.

Den vertikale kollektoren er et system av rør installert vertikalt i bakken. For å gjøre dette bores brønner til en dybde på flere meter til titalls eller til og med hundrevis av meter. Oftest er den vertikale samleren i nær kontakt med grunnvann, men dette er ikke en nødvendig betingelse for driften. Det vil si at en vertikalt installert underjordisk samler kan være "tørr".

Den vertikale samleren, så vel som den horisontale, kan ha nesten hvilken som helst design. De mest brukte systemene er "pipe in pipe" og "loop" systemer, der saltlaken pumpes ned og stiger tilbake til fordamperen.

Det skal bemerkes at vertikale samlere er de mest produktive. Dette forklares av deres plassering på stor dybde, hvor temperaturen nesten alltid er på samme nivå og er 1-12 C. Ved bruk med 1 m2 kan du få fra 30 til 100 W effekt. Om nødvendig kan antall brønner økes.

For å forbedre prosessen med varmeveksling mellom røret og jorda, helles mellomrommet mellom dem med betong.

Fordeler og ulemper med grunn-til-vann varmepumper

Installasjonen av en jord-til-vann varmepumpe krever betydelige økonomiske investeringer, men driften lar deg motta praktisk talt gratis termisk energi. Dette medfører ingen skade på miljøet.

Blant fordelene med denne typen varmepumpe bør nevnes:

Holdbarhet: kan fungere i flere tiår på rad uten reparasjon og vedlikehold
Enkel betjening
Mulighet for å bruke jorda til jordbruk
Rask tilbakebetaling: Ved oppvarming av lokaler på et stort område, for eksempel fra 300 m2 og over, lønner pumpen seg på 3-5 år.

Gitt at installasjonen av en varmeveksler i bakken er et komplekst agroteknisk arbeid, må de utføres med en foreløpig utvikling av prosjektet.

Slik fungerer en varmepumpe

Varmepumpen består av følgende elementer:

Kompressor som opererer fra et konvensjonelt elektrisk nettverk
Fordamper
Kondensator
kapillær
termostat
Arbeidsvæsken eller kjølemediet, hvis rolle er best egnet for freon

Prinsippet for drift av en varmepumpe kan beskrives ved hjelp av den velkjente Carnot Cycle fra et fysikkkurs på skolen.

Gassen (freon) som kommer inn i fordamperen gjennom kapillæren ekspanderer, dens trykk avtar, noe som fører til dens påfølgende fordampning, der den, i kontakt med veggene til fordamperen, aktivt tar varme fra dem. Temperaturen på veggene synker, noe som skaper en temperaturforskjell mellom dem og massen varmepumpen er plassert i. Som regel er dette grunnvann, sjøvann, en innsjø eller en masse land. Det er ikke vanskelig å gjette at i dette tilfellet begynner prosessen med å overføre termisk energi fra et mer oppvarmet legeme til et mindre oppvarmet legeme, som i dette tilfellet er veggene til fordamperen. På dette driftsstadiet "pumper" varmepumpen ut varme fra varmebærermediet.

På neste trinn blir kuldemediet sugd inn av kompressoren, deretter komprimert og tilført under trykk til kondensatoren. I kompresjonsprosessen stiger temperaturen og kan variere fra 80 til 120 C, noe som er mer enn nok for oppvarming og varmtvannsforsyning til et boligbygg. I kondensatoren gir kjølemediet opp tilførselen av termisk energi, kjøles ned, blir til flytende tilstand og går deretter inn i kapillæren. Deretter gjentas prosessen.

For å styre driften av varmepumpen brukes en termostat, ved hjelp av hvilken strømforsyningen til systemet stoppes når innstilt temperatur er nådd i rommet og pumpen gjenopptas når temperaturen faller under en forhåndsbestemt verdi.

Varmepumpen kan brukes som en kilde til termisk energi og kan brukes til å arrangere varmesystemer som ligner varmesystemer basert på en kjele eller ovn. Et eksempel på et slikt system er vist i diagrammet ovenfor.

Det skal bemerkes at driften av varmepumpen bare er mulig når den er koblet til en elektrisk energikilde. I dette tilfellet kan det feilaktig tros at hele varmesystemet er basert på bruk av elektrisk energi. Faktisk, for å overføre 1 kW termisk energi til varmesystemet, er det nødvendig å bruke omtrent 0,2-0,3 kW elektrisk energi.

Fordeler med varmepumpe

Noen av fordelene med en varmepumpe inkluderer:

Høy effektivitet
Mulighet for å bytte fra oppvarmingsmodus til klimaanleggsmodus og påfølgende bruk om sommeren for kjøling av rom
Evne til å bruke et effektivt automatisk kontrollsystem
miljøsikkerhet
Kompakthet (størrelsen er ikke mer enn et husholdningskjøleskap)
Stillegående drift
Brannsikkerhet, som er spesielt viktig for oppvarming av landhus

Blant ulempene med en varmepumpe, bør det bemerkes at høye kostnader og kompleksitet ved installasjon.

Forbrenning av klassisk brensel (gass, tre, torv) er en av de eldgamle metodene for å generere varme. Uttømmingen av tradisjonelle energikilder fikk imidlertid folk til å se etter mer komplekse, men ikke mindre effektive alternativer. En av dem var oppfinnelsen av en varmepumpe, hvis arbeid er basert på fysikkens skolelover.

Drift av varmepumpe

Prinsippet for drift av varmepumper, som er veldig komplisert ved første øyekast, er basert på flere enkle termodynamiske lover og egenskapene til væsker og gasser:

Når en gass blir flytende (kondens), frigjøres varme
Når en væske endres til en gass (fordampning), absorberes varme

De fleste væsker kan koke ved ganske høye temperaturer, nær 100 grader. Men det finnes stoffer med ganske lavt kokepunkt. I freon er det ca 3-4 grader. Forvandles til en gass, den blir lett komprimert og temperaturen inne i beholderen begynner å stige.

Teoretisk sett kan freon komprimeres for å oppnå ønsket temperatur, men i praksis er det begrenset til 80-90 grader, noe som er nødvendig for full drift av et klassisk varmesystem.

Alle møter en varmepumpe mer enn én gang om dagen når de passerer et kjøleskap. Imidlertid fungerer den i motsatt retning, tar varmen fra produktene og sprer den ut i atmosfæren.

Video om arbeidsteknologi

Varmepumpediagram

Effektiviteten til de fleste varmepumper er basert på bakkens varme, der temperaturen praktisk talt ikke svinger gjennom året (innen 7-10 grader). Varme beveger seg mellom tre kretser:

Varmekrets
Varmepumpe
Saltlake (aka jord) kontur

Det klassiske prinsippet for drift av varmepumper i et varmesystem består av følgende elementer:

Varmeveksler som gir den interne kretsen varmen tatt fra bakken
komprimeringsenhet
Den andre varmevekslerenheten som overfører energien mottatt i den interne kretsen til varmesystemet
Mekanismen som senker trykket i systemet (gass)
Brine krets
jordsonde
Varmekrets

Røret, som fungerer som primærkrets, plasseres i en brønn eller begraves direkte i bakken. En ikke-frysende flytende kjølevæske beveger seg langs den, hvis temperatur stiger til en lignende karakteristikk av jorden (ca. +8 grader) og kommer inn i den andre kretsen.

Sekundærkretsen tar varme fra væsken. Freon som sirkulerer inne begynner å koke og forvandles til gass, som sendes til kompressoren. Stempelet komprimerer det til 24-28 atm, på grunn av hvilket temperaturen stiger til + 70-80 grader.

På dette arbeidsstadiet blir energien konsentrert til en liten blodpropp. Som et resultat stiger temperaturen.

Den oppvarmede gassen kommer inn i den tredje kretsen, som er representert av varmtvannsforsyningssystemer eller til og med hjemmeoppvarming. Ved overføring av varme er tap på opptil 10-15 grader mulig, men de er ikke signifikante.

Når freon avkjøles, er det en reduksjon i trykket, og det blir igjen til en flytende tilstand. Ved en temperatur på 2-3 grader går den tilbake til den andre kretsen. Syklusen gjentas om og om igjen.

Hovedtyper

Driftsprinsippet til varmepumper er innrettet slik at de enkelt kan betjenes uten avbrudd i et bredt temperaturområde - fra -30 til +40 grader. De mest populære er følgende to typer modeller:

absorpsjonstype
Kompresjonstype

Absorpsjonsmodeller har en ganske kompleks struktur. De overfører den mottatte termiske energien direkte ved hjelp av en kilde. Deres drift reduserer materialkostnadene for forbrukt elektrisitet og drivstoff betydelig. Modeller av kompresjonstype for varmeoverføring bruker energi (mekanisk og elektrisk).

Avhengig av varmekilden som brukes, er pumper delt inn i følgende typer:

Behandling av sekundær varme- de dyreste modellene som har vunnet popularitet for oppvarming av gjenstander i industrien, der den sekundære varmen generert av andre kilder ikke brukes noe sted
Luft- tar varme fra luften rundt
Geotermisk– velg varme fra vann eller jord

Etter type input/output kan alle modeller klassifiseres som følger - jord, vann, luft og deres ulike kombinasjoner.

Jordvarmepumper

Populære er geotermiske modeller av pumper, som er delt inn i to typer: lukket eller åpen type.

Det enkle arrangementet av åpne systemer gjør det mulig å varme opp vannet som passerer inne, som deretter kommer inn i bakken igjen. Ideelt sett fungerer det i nærvær av et ubegrenset volum av ren varmeoverføringsvæske, som etter forbruk ikke skader miljøet.

Lukkede systemer av geotermiske varmepumper er delt inn i følgende typer:

Aquatic - ligger i et reservoar på ufrosset dybde
Med vertikalt arrangement - samleren plasseres i en brønn til en dybde på 200 m og kan brukes i områder med ujevnt terreng
Med et horisontalt arrangement - samleren plasseres i bakken til en dybde på 0,5-1 m, er det veldig viktig å sørge for en stor krets i et begrenset område

Luft-til-vann pumpe

Et av de mest allsidige alternativene er luft-til-vann-modellen. I de varme periodene av året er det veldig effektivt, men om vinteren kan produktiviteten synke betydelig.

Fordelen med systemet er enkel installasjon. Egnet utstyr kan monteres på et hvilket som helst praktisk sted, for eksempel på taket. Varmen som fjernes fra rommet i form av gass eller røyk kan gjenbrukes.

Vann-til-vann-type

Vann-til-vann varmepumpen er en av de mest effektive. Men bruken kan være begrenset av tilstedeværelsen av et reservoar i nærheten eller utilstrekkelig dybde der det ikke er noen betydelig temperaturfall om vinteren.

Lavpotensial energi kan velges fra følgende kilder:

grunnvann
Åpne reservoarer
Avfall industrivann

Det enkleste driftsprinsippet for varmepumper er for modeller som tar varme fra et reservoar. Dersom det tas beslutning om å bruke grunnvann, kan det være nødvendig å bore en brønn.

Jord-vann type

Varme fra bakken kan oppnås gjennom hele året, siden temperaturen i dybden på 1 m eller mer endres praktisk talt ikke. Som varmebærer brukes "brine" - en ikke-frysende væske som sirkulerer.

En av ulempene med "jord-vann"-systemet er behovet for et stort område for å oppnå ønsket effektivitet. De prøver å jevne det ut ved å legge rør med ringer.

Oppsamleren kan plasseres i vertikal stilling, men det kreves en brønn på opptil 150 m. I bunnen monteres paraplyer som tar bort varmen fra jorda.

Fordeler og ulemper med varmesystemer med varmepumpe

Varmepumper er mye brukt i varmesystemer for private boligområder eller industriområder. De erstatter gradvis mer klassiske energikilder på grunn av deres pålitelighet og effektivitet.

Noen av de mange fordelene med å bruke en varmepumpe inkluderer:

Sparer penger på vedlikehold av systemer og kjølevæske
Pumper fungerer helt autonomt
Ingen skadelige forbrenningsprodukter og andre giftige stoffer slippes ut i miljøet
Brannsikkerhet for det monterte utstyret
Evnen til enkelt å reversere driften av systemet

Til tross for de mange fordelene, er det nødvendig å ta hensyn til de negative aspektene ved drift av en varmepumpe:

Stor initial investering i arrangementet av varmesystemet - fra 3 til 10 tusen dollar
I kalde perioder, når temperaturen faller under -15 grader, er det nødvendig å tenke på alternative oppvarmingsalternativer.
Oppvarming basert på drift av en varmepumpe er mest effektiv kun i systemer med lavtemperaturvarmebærer

En annen skjematisk video:

Oppsummering

Etter å ha lært og mestret prinsippet for drift av en varmepumpe, kan du tenke og bestemme hensiktsmessigheten av installasjonen og bruken. De første kostnadene, som kan virke veldig store, vil snart lønne seg og begynne å gi en slags fortjeneste i form av besparelser på klassisk drivstoff.

Blant hovedretningene for utvikling av ingeniørutstyr for private husholdninger, kan man skille ut en økning i produktivitet med ergonomi og en økning i funksjonalitet. Samtidig tar utviklere i økende grad oppmerksomhet til energieffektiviteten til det tekniske utstyret til kommunikasjonssystemer. Oppvarmingsinfrastrukturen anses å være den mest kostbare, så selskaper viser særlig interesse for måtene å tilby den. Blant de mest håndgripelige resultatene av arbeid i denne retningen er luftvarmepumpen, som erstatter tradisjonelt oppvarmingsutstyr, økende

Funksjoner av luftvarmepumper

Hovedforskjellen ligger i måten varme genereres på. De fleste involverer bruk av tradisjonelle energibærere som kilde. Men når det gjelder luftpumper for både oppvarming og varmtvann, forbrukes mesteparten av energien direkte fra naturressurser. Om lag 20 % av det totale potensialet er avsatt til forsyning fra de vanlige stasjonene. Dermed bruker termiske lufthus energi mer økonomisk og forårsaker mindre skade på miljøet. Det er bemerkelsesverdig at de konseptuelle versjonene av pumpene ble utviklet for å gi kontorlokaler og bedrifter. Men i fremtiden dekket teknologier også segmentet husholdningsutstyr, slik at vanlige brukere kan bruke lønnsomme kilder til termisk energi.

Prinsipp for operasjon

Hele arbeidsprosessen er basert på sirkulasjonen av kjølemediet hentet fra kilden. Oppvarming skjer etter kondensering av luftstrømmer, som komprimeres i kompressoren. Videre går kjølemediet i flytende tilstand direkte inn i varmesystemet. Nå kan vi se nærmere på prinsippet om kjølevæskesirkulasjon i pumpedesignet. I gassform sendes kjølemediet til varmeveksleren som er innelukket i innendørsenheten. Der avgir den varme til rommet og blir til væske. På dette stadiet kommer mottakeren inn, som også tilføres luftvarmepumpen. Driftsprinsippet for standardversjonen av denne enheten forutsetter at væsken i denne enheten vil utveksle varme med et kjølemiddel som har lavt trykk. Som et resultat av denne prosessen vil temperaturen på den resulterende blandingen synke igjen, og væsken vil gå til utløpet av mottakeren. På tidspunktet for passasje av det gassformige kjølemediet gjennom røret med redusert trykk i mottakeren, øker overopphetingen, hvoretter den fyller kompressoren.

Spesifikasjoner

Den viktigste tekniske indikatoren er kraft, som for hjemmemodeller varierer fra 2,5 til 6 kW. Semi-industrielle kan også brukes i kommunikasjonsstøtten til private hus hvis det kreves et effektpotensial på mer enn 10 kW. Når det gjelder dimensjonene til pumpene, tilsvarer de tradisjonelle klimaanlegg. Dessuten kan de forveksles i utseende med et delt system. Standardblokken kan ha parametere på 90x50x35 cm Vekten tilsvarer også typiske klimatiske innstillinger - et gjennomsnitt på 40-60 kg. Hovedspørsmålet gjelder selvfølgelig temperaturområdet som dekkes. Siden luftvarmepumpen er fokusert på oppvarmingsfunksjonen, anses den øvre grensen for å være et mål og når et gjennomsnitt på 30-40 °C. Det produseres riktignok også versjoner med kombinerte funksjoner, som også produserer romkjøling.

Varianter av design

Det finnes flere konsepter for å generere varme med en luftpumpe. Som et resultat skjerpes designet spesifikt for behovene til en spesifikk generasjonsordning. Den mest populære modellen involverer samspillet i ett system av luftstrømmer og en vannbærer. Hovedklassifiseringen deler strukturer i henhold til typen organisering av funksjonelle blokker. Så det er en varmeluftpumpe i et monoblokkhus, og det er også modeller som sørger for utgangen av systemet til utsiden ved hjelp av et hjelpesegment. I det store og hele gjentar begge modellene prinsippet om drift av konvensjonelle klimaanlegg, bare funksjonene og ytelsen deres er hevet til et nytt nivå.

Anvendelse av moderne teknologi

Innovativ utvikling førte i stor grad til utviklingen av klassiske klimakontrollsystemer. Spesielt Mitsubishi bruker en tofaset kjølemiddelinnsprøytning scroll-kompressor i sine modeller, som lar utstyret utføre sin funksjon uavhengig av temperaturforhold. Selv ved -15 °C viser en japansk-designet varmeluftpumpe en ytelse på opptil 80 %. I tillegg er de nyeste modellene utstyrt med nye kontrollsystemer, som gir mer praktisk, sikrere og mer effektiv drift av installasjoner. Med all produksjonsevnen til utstyret, gjenstår muligheten for integrering i tradisjonelle varmesystemer med kjeler og kjeler.

Lage luftpumper med egne hender

Først av alt må du kjøpe en kompressor for fremtidig installasjon. Den er festet i veggen og utfører funksjonen til en utendørsenhet i et konvensjonelt delt system. Videre er komplekset supplert med en kondensator, som kan lages uavhengig. Denne operasjonen vil kreve en "spiral" av kobber med en tykkelse på ca. 1 mm, som deretter må plasseres i et plast- eller metallhus - for eksempel en tank eller sisterne. Det forberedte røret er viklet rundt kjernen, som kan være en sylinder med dimensjoner som gjør at den kan integreres i tanken. Ved å bruke en perforert er det mulig å danne svinger med samme intervaller, noe som vil gjøre luften mer effektiv, mange hjemmehåndverkere utfører det med den påfølgende injeksjonen av freon, som vil fungere som et kjølemiddel. Videre er den sammensatte strukturen koblet til husets varmesystem gjennom en ekstern krets.

På slutten av 1800-tallet dukket det opp kraftige kjøleanlegg som kunne pumpe minst dobbelt så mye varme som det ble brukt på å sette dem i drift. Det var et sjokk, for formelt viste det seg at en termisk evighetsmaskin er mulig! Men ved nærmere undersøkelse viste det seg at evigvarende bevegelse fortsatt er langt unna, og lavgradig varme produsert ved hjelp av en varmepumpe og høyverdig varme oppnådd for eksempel ved å brenne drivstoff, er to store forskjeller. Riktignok ble den tilsvarende formuleringen av den andre loven noe modifisert. Så hva er egentlig varmepumper? I et nøtteskall er en varmepumpe et moderne og høyteknologisk apparat for oppvarming og klimaanlegg. Varmepumpe samler varme fra gaten eller fra bakken og sender den til huset.

Slik fungerer en varmepumpe

Slik fungerer en varmepumpe enkelt: på grunn av mekanisk arbeid eller andre typer energi, gir det konsentrasjonen av varme, tidligere jevnt fordelt over et visst volum, i en del av dette volumet. I den andre delen dannes henholdsvis et underskudd av varme, det vil si kald.

Historisk sett begynte varmepumper først å bli mye brukt som kjøleskap – faktisk er ethvert kjøleskap en varmepumpe som pumper varme fra kjølekammeret til utsiden (inn i et rom eller utenfor). Det er fortsatt ikke noe alternativ til disse enhetene, og med all variasjonen av moderne kjøleteknologi forblir grunnprinsippet det samme: varme pumpes ut av kjølekammeret på grunn av ekstra ekstern energi.

Naturligvis la de nesten umiddelbart merke til at den merkbare oppvarmingen av kondensatorvarmeveksleren (for et husholdningskjøleskap er den vanligvis laget i form av et svart panel eller en grill på bakveggen av skapet) også kan brukes til oppvarming. Dette var allerede ideen om en varmeapparat basert på en varmepumpe i sin moderne form - et kjøleskap, tvert imot, når varme pumpes inn i et lukket volum (rom) fra et ubegrenset eksternt volum (fra gaten). Men på dette området har varmepumpen mange konkurrenter - fra tradisjonelle vedovner og peiser til alle slags moderne varmesystemer. Derfor ble denne ideen i mange år, mens drivstoffet var relativt billig, sett på som noe mer enn en kuriositet - i de fleste tilfeller var den absolutt ulønnsom økonomisk, og bare svært sjelden var slik bruk rettferdiggjort - vanligvis for utnyttelse av varmepumpet av kraftige kjøleenheter i land med ikke for kaldt klima. Og bare med den raske økningen i energiprisene, komplikasjonen og økningen i kostnadene for oppvarmingsutstyr og den relative billiggjøringen mot denne bakgrunnen av produksjonen av varmepumper, blir en slik idé økonomisk levedyktig i seg selv, fordi etter å ha betalt en gang for en ganske kompleks og kostbar installasjon, så vil det være mulig å stadig spare på redusert drivstofforbruk. Varmepumper er grunnlaget for de voksende ideene om kraftvarme - samtidig produksjon av varme og kulde - og trigenerering - produksjon av varme, kulde og elektrisitet på en gang.

Siden varmepumpen er essensen av enhver kjøleenhet, kan vi si at konseptet "kjølemaskin" er dets pseudonym. Riktignok bør det huskes at til tross for universaliteten til driftsprinsippene som brukes, er designene til kjølemaskiner fortsatt fokusert på produksjon av kulde, og ikke varme - for eksempel er den genererte kulden konsentrert på ett sted, og den resulterende varmen kan spres i flere forskjellige deler av installasjonen, fordi i et konvensjonelt kjøleskap er oppgaven ikke å utnytte denne varmen, men ganske enkelt å kvitte seg med den.

Varmepumpeklasser

For tiden er to klasser varmepumper mest brukt. Til en klasse kan tilskrives termoelektrisk Peltier-effekt, og til en annen - evaporativ, som i sin tur er delt inn i mekanisk kompressor (stempel eller turbin) og absorpsjon (diffusjon). I tillegg øker interessen gradvis for bruk av virvelrør som varmepumper, der Ranque-effekten virker.

Varmepumper basert på Peltier-effekten

Peltier element

Peltier-effekten ligger i det faktum at når en liten konstant spenning påføres to sider av en spesiallaget halvlederskive, varmes den ene siden av denne skiven opp og den andre avkjøles. Her er generelt den termoelektriske varmepumpen klar!

Den fysiske essensen av effekten er som følger. Platen til Peltier-elementet (aka "termoelektrisk element", eng. Thermoelectric Cooler, TEC), består av to lag av en halvleder med forskjellige nivåer av elektronenergi i ledningsbåndet. Når et elektron går under påvirkning av en ekstern spenning inn i et ledningsbånd med høyere energi til en annen halvleder, må det tilegne seg energi. Når han mottar denne energien, blir kontaktstedet til halvlederne avkjølt (når strømmen flyter i motsatt retning, oppstår den motsatte effekten - kontaktstedet til lagene varmes opp i tillegg til den vanlige ohmske oppvarmingen).

Fordeler med Peltier-elementer

Fordelen med Peltier-elementer er den maksimale enkelheten i designen deres (hva kan være enklere enn en plate som to ledninger er loddet til?) Og det fullstendige fraværet av bevegelige deler, så vel som interne strømmer av væsker eller gasser. Konsekvensen av dette er absolutt støyløs drift, kompakthet, fullstendig likegyldighet til orientering i rommet (forutsatt tilstrekkelig varmeavledning er sikret) og svært høy motstand mot vibrasjoner og støtbelastninger. Og driftsspenningen er bare noen få volt, så noen få batterier eller et bilbatteri er nok til å fungere.

Ulemper med Peltier-elementer

Den største ulempen med termoelektriske elementer er deres relativt lave effektivitet - det kan foreløpig betraktes at de vil trenge dobbelt så mye ekstern energi tilført per enhet overført varme. Det vil si at ved å tilføre 1 J elektrisk energi kan vi fjerne bare 0,5 J varme fra det avkjølte området. Det er klart at alle de totale 1,5 J vil frigjøres på den "varme" siden av Peltier-elementet, og de må viderekobles til det ytre miljøet. Dette er mange ganger lavere enn effektiviteten tiler.

På bakgrunn av en så lav effektivitet er andre ulemper vanligvis ikke så viktige, og dette er en liten spesifikk produktivitet kombinert med en høy spesifikk kostnad.

Bruker Peltier-elementer

I samsvar med deres egenskaper er hovedanvendelsesområdet for Peltier-elementer for tiden vanligvis begrenset til tilfeller der det er nødvendig å ikke avkjøle noe som ikke er for kraftig, spesielt under forhold med sterk risting og vibrasjoner og med alvorlige begrensninger på vekt og dimensjoner , - for eksempel ulike komponenter og deler av elektronisk utstyr, primært militær, luftfart og romfart. Kanskje er Peltier-elementer mest brukt i hverdagen i bærbare bilkjøleskap med lav effekt (5..30 W).

Fordampende kompresjonsvarmepumper

Arbeidssyklusdiagram av ene

Prinsippet for drift av denne klassen varmepumper er som følgende. Det gassformige (helt eller delvis) kjølemediet komprimeres av kompressoren til et trykk der det kan bli til en væske. Naturligvis varmes dette opp. Det oppvarmede komprimerte kjølemediet føres inn i kondensatorradiatoren, hvor det avkjøles til omgivelsestemperaturen, og gir det overskuddsvarme. Dette er varmesonen (bakveggen til kjøkkenkjøleskapet). Hvis ved innløpet av kondensatoren en betydelig del av det komprimerte varme kjølemediet fortsatt forble i form av damp, så når temperaturen synker under varmeveksling, kondenserer det også og går over i flytende tilstand. Det relativt avkjølte flytende kjølemediet mates inn i ekspansjonskammeret, hvor det, når det passerer gjennom en gasspjeld eller ekspander, mister trykk, ekspanderer og fordamper, i det minste delvis blir til gassform, og følgelig avkjøles - betydelig under omgivelsestemperaturen og til og med under temperaturen i varmepumpens kjølesone. Passerer gjennom kanalene til fordamperpanelet, fjerner en kald blanding av væske og dampformig kjølevæske varme fra kjølesonen. På grunn av denne varmen fortsetter den gjenværende flytende delen av kjølemediet å fordampe, og opprettholder en stabil lav temperatur på fordamperen og sikrer effektiv varmefjerning. Etter det når kjølemediet i form av damp innløpet til kompressoren, som pumper det ut og komprimerer det igjen. Så gjentas alt fra begynnelsen.

Således, i den "varme" delen av kompressor-kondensator-gasspaken, er kjølemediet under høyt trykk og hovedsakelig i flytende tilstand, og i den "kalde" delen av gasspjeld-fordamper-kompressoren, er trykket lavt, og kjølemediet er hovedsakelig i damptilstand. Både komprimering og sjeldneri skapes av samme kompressor. På motsatt side av banen fra kompressoren skiller høy- og lavtrykkssonene en gasspjeld som begrenser strømmen av kjølemediet.

Kraftige industrikjøleskap bruker giftig, men effektiv ammoniakk, effektive turboladere og noen ganger ekspandere som kjølemiddel. I husholdningskjøleskap og klimaanlegg er kjølemediet vanligvis sikrere freoner, og stempelkompressorer og "kapillærrør" (gasspjeld) brukes i stedet for turbinenheter.

I det generelle tilfellet er en endring i aggregeringstilstanden til kjølemediet ikke nødvendig - prinsippet vil fungere for et konstant gassformig kjølemiddel - men en stor endringsvarme i aggregeringstilstanden øker effektiviteten til driftssyklusen. Men hvis kjølemediet er i flytende form hele tiden, vil det i prinsippet ikke være noen effekt - tross alt er væsken praktisk talt ukomprimerbar, og derfor vil verken økende eller avlastende trykk endre temperaturen.

Choker og utvidere

Begrepene «throttle» og «expander» som brukes gjentatte ganger på denne siden sier vanligvis lite til folk som er langt fra kjøleteknologi. Derfor bør det sies noen få ord om disse enhetene og hovedforskjellen mellom dem.

En choke i teknologi er en enhet designet for å normalisere strømmen på grunn av dens tvungne begrensning. I elektroteknikk har dette navnet blitt tildelt spoler designet for å begrense strømstigningshastigheten og brukes vanligvis for å beskytte elektriske kretser mot impulsstøy. I hydraulikk kalles struper vanligvis strømningsbegrensere, som er spesialdesignede kanalinnsnevringer med en nøyaktig beregnet (kalibrert) klaring som gir ønsket strømning eller nødvendig strømningsmotstand. Et klassisk eksempel på slike choker er jetfly, som ble mye brukt i forgassermotorer for å sikre den beregnede strømmen av bensin under tilberedningen av drivstoffblandingen. Gassventilen i de samme forgasserne normaliserte luftstrømmen - den andre nødvendige ingrediensen i denne blandingen.

Ved kjøling brukes en strupe for å begrense strømmen av kjølemiddel inn i ekspansjonskammeret og opprettholde forholdene der for effektiv fordampning og adiabatisk ekspansjon. For mye strømning kan generelt føre til å fylle ekspansjonskammeret med kjølemiddel (kompressoren har rett og slett ikke tid til å pumpe den ut) eller i det minste til tap av nødvendig vakuum der. Men det er fordampningen av det flytende kjølemediet og den adiabatiske ekspansjonen av dampene som sørger for at kjølemediets temperatur faller under omgivelsestemperaturen som er nødvendig for driften av kjøleskapet.

Prinsipper for drift av gassen (venstre), stempelekspanderen (senter) og turboekspanderen (venstre).

I ekspanderen er ekspansjonskammeret noe modernisert. I den utfører det fordampende og ekspanderende kjølemediet i tillegg mekanisk arbeid, beveger stempelet som er plassert der eller roterer turbinen. I dette tilfellet kan begrensningen av kjølemiddelstrømmen utføres på grunn av motstanden til stempelet eller turbinhjulet, selv om dette i virkeligheten vanligvis krever et veldig nøye valg og koordinering av alle systemparametere. Derfor, ved bruk av ekspandere, kan hovedstrømreguleringen utføres med en strupe (kalibrert innsnevring av tilførselskanalen for flytende kjølemiddel).

Turboekspanderen er effektiv bare ved høye strømninger av arbeidsfluidet; ved lav strømning er effektiviteten nær konvensjonell struping. En stempelekspander kan fungere effektivt med et mye lavere forbruk av arbeidsvæsken, men designet er en størrelsesorden mer komplisert enn en turbin: i tillegg til selve stempelet med alle nødvendige føringer, tetninger og et retursystem, inntak og eksosventiler med passende kontroll kreves.

Fordelen med en ekspander fremfor en gasspjeld er mer effektiv kjøling på grunn av det faktum at en del av kjølemediets termiske energi omdannes til mekanisk arbeid og fjernes fra den termiske syklusen i denne formen. Dessuten kan dette arbeidet brukes til fordel for virksomheten, for eksempel til å drive pumper og kompressorer, slik det gjøres i Zysin-kjøleskapet. Men en enkel gass har en helt primitiv design og inneholder ikke en eneste bevegelig del, og derfor, når det gjelder pålitelighet, holdbarhet, samt enkelhet og produksjonskostnad, etterlater den utvideren langt bak. Det er disse grunnene som vanligvis begrenser omfanget av ekspandere til kraftig kryogen teknologi, mens husholdningskjøleskap bruker mindre effektive, men praktisk talt evigvarende choker, som kalles "kapillærrør" der og er et enkelt kobberrør med tilstrekkelig lang lengde med en liten diameter klaring (vanligvis fra 0,6 til 2 mm), som gir den nødvendige hydrauliske motstanden for den beregnede kjølemiddelstrømmen.

Fordeler med kompresjonsvarmepumper

Den største fordelen med denne typen varmepumper er deres høye effektivitet, den høyeste blant moderne varmepumper. Forholdet mellom energi som tilføres utenfra og pumpes over kan komme opp i 1:3 - det vil si at for hver joule energi som tilføres fra kjølesonen vil det pumpes ut 3 J varme - sammenlign med 0,5 J for Pelte-elementer! I dette tilfellet kan kompressoren stå separat, og varmen som genereres av den (1 J) trenger ikke fjernes til det ytre miljøet på samme sted hvor det avgis 3 J varme som pumpes ut fra kjølesonen.

Forresten, det er en annen enn den allment aksepterte, men veldig nysgjerrige og overbevisende teorien om termodynamiske fenomener. Så en av konklusjonene hennes er at arbeidet med å komprimere en gass i prinsippet kan utgjøre bare omtrent 30 % av dens totale energi. Og dette betyr at forholdet mellom tilført og overført energi på 1:3 tilsvarer den teoretiske grensen og kan i prinsippet ikke forbedres med termodynamiske metoder for varmeoverføring. Imidlertid hevder noen produsenter allerede å oppnå et forhold på 1:5 og til og med 1:6, og dette er sant - tross alt, i ekte kjølesykluser brukes ikke bare komprimeringen av det gassformige kjølemediet, men også en endring i dens aggregeringstilstand, og det er sistnevnte prosess som er den viktigste ... .

Ulemper med kompresjonsvarmepumper

Ulempene med disse varmepumpene inkluderer for det første selve tilstedeværelsen av en kompressor, som uunngåelig skaper støy og er utsatt for slitasje, og for det andre behovet for å bruke et spesielt kjølemiddel og opprettholde absolutt tetthet gjennom hele arbeidsveien. Imidlertid er kompresjonskjøleskap for husholdninger som har vært i drift i 20 år eller mer uten reparasjon i det hele tatt. En annen funksjon er en ganske høy følsomhet for plassering i rommet. På siden eller opp ned er det usannsynlig at både kjøleskapet og klimaanlegget vil fungere. Men dette skyldes funksjonene til spesifikke design, og ikke det generelle operasjonsprinsippet.

Som regel er kompresjonsvarmepumper og kjøleaggregater konstruert med forutsetning om at alt kjølemediet er i damptilstand ved kompressorinnløpet. Derfor, hvis en stor mengde ufordampet flytende kjølemiddel kommer inn i kompressorinnløpet, kan det forårsake vannslag i det og som et resultat alvorlig skade på enheten. Årsaken til denne situasjonen kan være både utstyrsslitasje og for lav kondensatortemperatur - kjølemediet som kommer inn i fordamperen er for kaldt og fordamper for tregt. For et konvensjonelt kjøleskap kan denne situasjonen oppstå hvis du prøver å slå det på i et veldig kaldt rom (for eksempel ved en temperatur på ca. 0 ° C og lavere) eller hvis det nettopp har blitt brakt inn i et normalt rom fra frost. For en kompresjonsvarmepumpe som fungerer for oppvarming, kan dette skje hvis du prøver å varme et frossent rom med den, selv om det også er kaldt ute. Ikke veldig komplekse tekniske løsninger eliminerer denne faren, men de øker kostnadene for designen, og under vanlig drift av massehusholdningsapparater er det ikke behov for dem - slike situasjoner oppstår ikke.

Bruk av kompresjonsvarmepumper

På grunn av sin høye effektivitet har denne spesielle typen varmepumpe blitt nesten universell, og har fortrengt alle andre til ulike eksotiske bruksområder. Og selv den relative kompleksiteten til designet og dens følsomhet for skader kan ikke begrense deres utbredte bruk - nesten hvert kjøkken har et kompresjonskjøleskap eller -fryser, eller til og med mer enn ett!

Fordampende absorpsjon (diffusjon) varmepumper

Arbeidssyklus for fordampere absorpsjonsvarmepumper svært lik driftssyklusen til fordampningskompresjonsenhetene diskutert rett ovenfor. Hovedforskjellen er at hvis i det forrige tilfellet vakuumet som kreves for fordampning av kjølemediet skapes under mekanisk suging av damper av kompressoren, kommer det fordampede kjølemediet inn i absorpsjonsenheten fra fordamperen, hvor det absorberes i absorpsjonsenheter. (absorbert) av et annet stoff - absorbenten. Dermed fjernes dampen fra volumet til fordamperen og et vakuum gjenopprettes der, noe som sikrer fordampning av nye deler av kjølemediet. En nødvendig betingelse er en slik "affinitet" mellom kjølemediet og absorbenten, slik at kreftene til deres binding under absorpsjon kan skape et betydelig vakuum i fordamperens volum. Historisk sett er det første og fortsatt mye brukte stoffparet ammoniakk NH3 (kjølemiddel) og vann (absorberende). Når den absorberes, oppløses ammoniakkdampen i vann, og trenger inn (diffunderer) inn i tykkelsen. Fra denne prosessen kom de alternative navnene på slike varmepumper - diffusjon eller absorpsjon-diffusjon.
For å skille kjølemediet (ammoniakk) og absorbenten (vann) igjen, varmes den brukte og ammoniakkrike vann-ammoniakkblandingen opp i desorberen av en ekstern termisk energikilde opp til koking, deretter avkjøles den noe. Vann kondenserer først, men ved høye temperaturer umiddelbart etter kondensering er det i stand til å holde på svært lite ammoniakk, så det meste av ammoniakk forblir i form av damp. Her separeres den trykksatte væskefraksjonen (vann) og gassfraksjonen (ammoniakk) og avkjøles separat til omgivelsestemperatur. Det avkjølte vannet med lavt ammoniakkinnhold sendes til absorberen, og ammoniakken, når den avkjøles i kondensatoren, blir flytende og går inn i fordamperen. Der synker trykket og ammoniakken fordamper, avkjøler fordamperen igjen og tar varme utenfra. Deretter blir ammoniakkdampen rekombinert med vann, fjerner overflødig ammoniakkdamp fra fordamperen og opprettholder et lavt trykk der. Løsningen anriket med ammoniakk sendes igjen til desorberen for separering. I prinsippet er det ikke nødvendig å koke løsningen for å desorbere ammoniakk, bare varm den opp nær kokepunktet, og "overflødig" ammoniakk vil fordampe fra vannet. Men koking gjør at separasjonen kan utføres raskest og mest effektivt. Kvaliteten på slik separasjon er hovedbetingelsen som bestemmer vakuumet i fordamperen, og derfor effektiviteten til absorpsjonsenheten, og mange triks i designet er rettet nettopp mot dette. Som et resultat, når det gjelder organisering og antall stadier av arbeidssyklusen, er kanskje den mest komplekse av alle vanlige typer slikt utstyr.

"Høydepunktet" av operasjonsprinsippet er at for generering av kulde brukes oppvarmingen av arbeidsvæsken her (opp til kokingen). Samtidig er typen varmekilde uprinsippet - det kan til og med være åpen ild (brennerflamme), så bruk av elektrisitet er ikke nødvendig. For å skape den nødvendige trykkforskjellen, som bestemmer bevegelsen til arbeidsvæsken, kan noen ganger mekaniske pumper brukes (vanligvis i kraftige installasjoner med store volumer av arbeidsvæsken), og noen ganger, spesielt i husholdningskjøleskap, elementer uten bevegelige deler ( termosifoner).

Absorpsjonsdiffusjonskjøleenhet (ADCA) til Morozko-ZM-kjøleskapet. 1 - varmeveksler; 2 - løsningssamler; 3 - hydrogenakkumulator; 4 - absorber; 5 - regenerativ gass varmeveksler; 6 - deflegmator ("dehydrator"); 7 - kondensator; 8 - fordamper; 9 - generator; 10 - termosifon; 11 - regenerator; 12 - rør med svak løsning; 13 - damputløpsrør; 14 - elektrisk varmer; 15 - termisk isolasjon.

De første absorpsjonskjølemaskinene (ABHM) på en ammoniakk-vannblanding dukket opp i andre halvdel av 1800-tallet. I hverdagen, på grunn av toksisiteten til ammoniakk, ble de ikke mye brukt på den tiden, men de ble veldig mye brukt i industrien, og ga nedkjøling til -45 ° C. I ett-trinns ABCM er den maksimale kjølekapasiteten teoretisk lik mengden varme som brukes på oppvarming (i virkeligheten er den selvfølgelig merkbart mindre). Det var dette faktum som forsterket tilliten til forsvarerne for selve formuleringen av termodynamikkens andre lov, som ble nevnt på begynnelsen av denne siden. Imidlertid har absorpsjonsvarmepumper nå overvunnet denne begrensningen. På 1950-tallet dukket det opp mer effektive totrinns (to kondensatorer eller to absorbere) litiumbromid ABCM (kjølemiddel - vann, absorbent - litiumbromid LiBr). Tre-trinns varianter av ABHM ble patentert i 1985-1993. Prototypene deres er 30–50 % mer effektive enn to-trinns og nærmer seg massemodeller av kompresjonsanlegg.

Fordeler med absorpsjonsvarmepumper

Den største fordelen med absorpsjonsvarmepumper er muligheten til å bruke ikke bare dyr elektrisitet til arbeidet sitt, men også enhver varmekilde med tilstrekkelig temperatur og kraft - overopphetet eller eksosdamp, flammen av gass, bensin og andre brennere - opp til eksos. gasser og gratis solenergi.

Den andre fordelen med disse enhetene, som er spesielt verdifulle i husholdningsbruk, er evnen til å lage strukturer som ikke inneholder bevegelige deler, og derfor er praktisk talt stille (i sovjetiske modeller av denne typen kunne man noen ganger høre en stille gurgling eller lett suse, men dette går selvfølgelig ingen steder) sammenlignet med støyen fra en kompressor som kjører).

Til slutt, i husholdningsmodeller, utgjør ikke arbeidsvæsken (vanligvis en vann-ammoniakkblanding med tilsetning av hydrogen eller helium) i volumene som brukes der, noen stor fare for andre, selv i tilfelle en nødtrykksavlastning av arbeidsdelen (dette er ledsaget av en veldig ubehagelig stank, så ikke legg merke til en sterk lekkasje umulig, og rommet med nødenheten må forlates og ventileres "automatisk"; ultralave konsentrasjoner av ammoniakk er naturlig og helt ufarlig). I industrielle installasjoner er volumene av ammoniakk store og konsentrasjonen av ammoniakk ved lekkasjer kan være dødelig, men uansett regnes ammoniakk som miljøsikkert - det antas at det, i motsetning til freoner, ikke ødelegger ozonlaget og forårsaker ikke drivhuseffekt.

Ulemper med absorpsjonsvarmepumper

Den største ulempen med denne typen varmepumper- lavere effektivitet sammenlignet med kompresjon.

Den andre ulempen er kompleksiteten i utformingen av selve enheten og den ganske høye korrosjonsbelastningen fra arbeidsvæsken, som enten krever bruk av dyre og vanskelige å behandle korrosjonsbestandige materialer, eller reduserer enhetens levetid til 5..7 år. Som et resultat er kostnaden for "maskinvare" merkbart høyere enn for kompresjonsanlegg med samme kapasitet (først av alt gjelder dette kraftige industrielle enheter).

For det tredje er mange design svært kritiske for plassering under installasjon - spesielt noen modeller av husholdningskjøleskap krevde installasjon strengt horisontalt, og selv med et avvik på flere grader nektet de å fungere. Bruken av tvungen bevegelse av arbeidsvæsken ved hjelp av pumper eliminerer i stor grad alvorlighetsgraden av dette problemet, men løfting med en stille termosyfon og drenering av tyngdekraften krever svært nøye justering av enheten.

I motsetning til kompresjonsmaskiner er ikke absorpsjonsmaskiner så redde for for lave temperaturer - effektiviteten reduseres rett og slett. Men det var ikke uten grunn at jeg plasserte denne paragrafen i seksjonen med ulemper, fordi dette ikke betyr at de kan fungere i sterk kulde - i kulde vil en vandig løsning av ammoniakk ganske enkelt fryse, i motsetning til freoner som brukes i kompresjonsmaskiner, frysepunktet som vanligvis er under -100 ° C. Riktignok, hvis isen ikke bryter noe, vil absorpsjonsenheten fortsette å fungere etter tining, selv om den ikke har blitt koblet fra nettverket hele denne tiden, fordi det ikke er noen mekaniske pumper og kompressorer i den, og varmekraften i husholdningsmodeller er liten nok til å koke i området varmeren ikke har blitt for intens. Men alt avhenger av funksjonene til et bestemt design ...

Bruk av absorpsjonsvarmepumper

Til tross for noe lavere effektivitet og relativt høyere kostnader sammenlignet med kompresjonsanlegg, er bruk av absorpsjonsvarmemotorer absolutt berettiget der det ikke er strøm eller der det er store mengder spillvarme (eksosdamp, varm eksos eller røykgasser, etc. - opp) til førsolar oppvarming). Spesielt produseres spesialmodeller av kjøleskap, drevet av gassbrennere, designet for bilister og yachter.

For tiden, i Europa, erstattes gasskjeler noen ganger med absorpsjonsvarmepumper oppvarmet av en gassbrenner eller diesel - de tillater ikke bare å utnytte forbrenningsvarmen til drivstoffet, men også å "pumpe opp" ekstra varme fra gaten eller fra jordens dyp!

Som erfaring viser, er alternativer med elektrisk oppvarming også ganske konkurransedyktige i hverdagen, først og fremst i laveffektområdet - et sted fra 20 til 100 watt. Mindre krefter er termoelektriske elementers rike, og ved høyere krefter er fordelene med kompresjonssystemer ubestridelige. Spesielt blant de sovjetiske og postsovjetiske merkene av kjøleskap av denne typen, var Morozko, Sever, Kristall, Kiev populære med et typisk volum av kjøleskapskammeret fra 30 til 140 liter, selv om det også er modeller for 260 liter (" Krystall-12"). Forresten, når du evaluerer energiforbruket, er det verdt å ta i betraktning det faktum at kompresjonskjøleskap nesten alltid fungerer i en korttidsmodus, mens absorpsjonskjøleskap vanligvis slås på i en mye lengre periode eller til og med fungerer kontinuerlig. Derfor, selv om den nominelle effekten til varmeren er mye mindre enn kraften til kompressoren, kan forholdet mellom det gjennomsnittlige daglige energiforbruket være ganske annerledes.

Vortex varmepumper

Vortex varmepumper Rank-effekten brukes til å skille varm og kald luft. Essensen av effekten er at gassen som tangensielt mates inn i røret ved høy hastighet, blir vridd og separert inne i dette røret: avkjølt gass kan tas fra midten av røret, og oppvarmet gass fra periferien. Den samme effekten, men i mye mindre grad, gjelder også for væsker.

Fordeler med vortex varmepumper

Den største fordelen med denne typen varmepumper er enkel design og høy ytelse. Virvelrøret inneholder ingen bevegelige deler, noe som sikrer høy pålitelighet og lang levetid. Vibrasjon og plassering i rommet har praktisk talt ingen effekt på driften.

En kraftig luftstrømbrønn forhindrer frysing, og virvelrørenes effektivitet er svakt avhengig av temperaturen på innløpsstrømmen. Det praktiske fraværet av grunnleggende temperaturbegrensninger forbundet med hypotermi, overoppheting eller frysing av arbeidsvæsken er også svært viktig.

I noen tilfeller spiller muligheten for å oppnå rekordhøy temperaturseparasjon i ett trinn en rolle: kjølingstall på 200° og mer er gitt i litteraturen. Vanligvis avkjøler ett trinn luften med 50..80°С.

Ulemper med vortex varmepumper

Dessverre er effektiviteten til disse enhetene for tiden merkbart dårligere enn effektiviteten til fordampningskompresjonsanlegg. I tillegg, for effektiv drift, krever de en høy tilførselshastighet av arbeidsfluidet. Maksimal effektivitet observeres ved en inngangsstrøm lik 40..50 % av lydhastigheten - en slik strømning i seg selv skaper mye støy, og i tillegg krever den en produktiv og kraftig kompressor - enheten er også av ingen betyr stille og ganske lunefull.

Fraværet av en generelt akseptert teori om dette fenomenet, egnet for praktisk ingeniørbruk, gjør utformingen av slike enheter til en empirisk øvelse i mange henseender, hvor resultatet er svært avhengig av flaks: "gjettet eller ikke gjettet". Et mer eller mindre pålitelig resultat oppnås bare ved å reprodusere allerede opprettede vellykkede prøver, og resultatene av forsøk på å endre visse parametere betydelig er ikke alltid forutsigbare og ser noen ganger paradoksale ut.

Bruk av vortex varmepumper

Imidlertid er bruken av slike enheter for tiden på vei oppover. De er først og fremst berettiget der det allerede er gass under trykk, samt i ulike brann- og eksplosjonsfarlige industrier - tross alt er det å tilføre en strøm av luft under trykk til et farlig område ofte mye tryggere og billigere enn å trekke beskyttede elektriske ledninger dit og installasjon av elektriske motorer i en spesiell design.

Effektivitetsgrenser for varmepumper

Hvorfor er varmepumper fortsatt ikke mye brukt til oppvarming (kanskje den eneste relativt vanlige klassen av slike enheter er inverter klimaanlegg)? Det er flere årsaker til dette, og i tillegg til de subjektive knyttet til mangel på oppvarmingstradisjoner ved bruk av denne teknikken, finnes det også objektive, hvor de viktigste er frosting av varmeavtrekket og et relativt smalt temperaturområde for effektiv drift.

I virvelinstallasjoner (primært gass) er det vanligvis ingen problemer med hypotermi og frysing. De bruker ikke endringen i aggregeringstilstanden til arbeidsvæsken, og en kraftig luftstrøm utfører funksjonene til "No Frost" -systemet. Effektiviteten deres er imidlertid mye mindre enn for fordampningsvarmepumper.

hypotermi

I fordampningsvarmepumper sikres høy effektivitet ved å endre aggregeringstilstanden til arbeidsvæsken - overgangen fra væske til gass og omvendt. Følgelig er denne prosessen mulig i et relativt smalt temperaturområde. Ved for høye temperaturer vil arbeidsvæsken alltid forbli gassformet, og ved for lave temperaturer vil den fordampe med store vanskeligheter eller til og med fryse. Som et resultat, når temperaturen går utover det optimale området, blir den mest energieffektive faseovergangen vanskelig eller blir fullstendig ekskludert fra driftssyklusen, og effektiviteten til kompresjonsenheten synker betydelig, og hvis kjølemediet forblir konstant flytende, da det vil ikke fungere i det hele tatt.

fryser

Uttak av varme fra luften

Selv om temperaturen på alle varmepumpeenhetene holder seg innenfor de nødvendige grensene, er varmeavtrekksenheten - fordamperen - alltid dekket av fuktighetsdråper som kondenserer fra den omgivende luften under drift. Men flytende vann renner av det av seg selv, og hindrer ikke varmeoverføringen spesielt. Når temperaturen på fordamperen blir for lav, fryser kondensatdråpene, og den nylig kondenserte fuktigheten blir umiddelbart til frost, som forblir på fordamperen, og danner gradvis en tykk snøbelegg - dette er nøyaktig hva som skjer i fryseren til et vanlig kjøleskap . Som et resultat reduseres effektiviteten av varmeveksling betydelig, og da er det nødvendig å stoppe driften og tine fordamperen. Som regel, i fordamperen til kjøleskapet, synker temperaturen med 25..50 °C, og i klimaanlegg, på grunn av deres spesifikasjoner, er temperaturforskjellen mindre - 10..15 ° C. Når du vet dette, blir det klart hvorfor de fleste klimaanlegg ikke kan justeres til en temperatur lavere enn +13..+17°С - denne terskelen er satt av deres designere for å unngå ising av fordamperen, fordi avrimingsmodusen vanligvis ikke er gitt. Dette er også en av grunnene til at nesten alle klimaanlegg med inverter-modus ikke fungerer selv ved ikke veldig høye negative temperaturer - først nylig har det begynt å dukke opp modeller som er designet for å fungere i frost ned til -25 ° C. I de fleste tilfeller, allerede ved –5..–10°C, blir energikostnadene for avriming sammenlignbare med mengden varme som pumpes inn fra gaten, og pumping av varme fra gaten viser seg å være ineffektiv, spesielt hvis fuktigheten på uteluften er nær 100 % - da dekkes det eksterne varmeavtrekket med is spesielt raskt.

Uttak av varme fra jord og vann

I denne forbindelse har varme fra jordens dyp i økende grad blitt ansett som en ikke-frysende kilde til "kald varme" for varmepumper. Dette betyr ikke de oppvarmede lagene av jordskorpen, som ligger på en dybde på mange kilometer, og ikke engang geotermiske vannkilder (selv om, hvis du er heldig og de er i nærheten, ville det være dumt å neglisjere en slik skjebnegave) . Dette refererer til den "vanlige" varmen i jordlagene som ligger på en dybde på 5 til 50 meter. Som du vet, i den midterste banen, har jorda på slike dybder en temperatur på omtrent + 5 ° C, som endres veldig lite gjennom året. I mer sørlige regioner kan denne temperaturen nå +10 ° С og høyere. Temperaturforskjellen mellom de komfortable +25°C og bakken rundt varmeavtrekket er derfor meget stabil og overstiger ikke 20°C uavhengig av frosten utenfor vinduet (det bør bemerkes at vanligvis temperaturen ved varmepumpens uttak er +50..+60°C, men og en temperaturforskjell på 50°C er ganske innenfor kraften til varmepumper, inkludert moderne husholdningskjøleskap, som rolig gir -18°C i fryseren ved romtemperatur over +30 °C).

Men hvis du begraver en kompakt, men kraftig varmeveksler, er det lite sannsynlig at den ønskede effekten oppnås. Faktisk fungerer varmeavtrekkeren i dette tilfellet som en fryserfordamper, og hvis det ikke er kraftig varmetilførsel på stedet der den er plassert (en geotermisk kilde eller en underjordisk elv), vil den raskt fryse den omkringliggende jorda, som all varmepumping vil avsluttes. Løsningen kan være å hente ut varme ikke fra ett punkt, men jevnt fra et stort underjordisk volum, men kostnadene ved å bygge en varmeavtrekker som dekker tusenvis av kubikkmeter jord på et betydelig dyp vil mest sannsynlig gjøre denne løsningen helt ulønnsom økonomisk. Et rimeligere alternativ er å bore flere brønner med et intervall på flere meter fra hverandre, slik det ble gjort i et eksperimentelt "aktivt hus" nær Moskva, men dette er heller ikke billig - alle som har laget en brønn for vann kan uavhengig estimere kostnadene ved å lage et geotermisk felt på minst et dusin 30-meters brønner. I tillegg vil et konstant varmeuttak, selv om det er mindre sterkt enn ved en kompakt varmeveksler, fortsatt redusere temperaturen på bakken rundt varmeavtrekkene sammenlignet med den opprinnelige. Dette vil føre til en reduksjon i effektiviteten til varmepumpen under dens langsiktige drift, og perioden med temperaturstabilisering på et nytt nivå kan ta flere år, hvor forholdene for å utvinne varme vil forverres. Imidlertid kan man prøve å delvis kompensere for vintervarmetapet ved å øke innsprøytingen til en dybde i sommervarmen. Men selv uten å ta hensyn til de ekstra energikostnadene for denne prosedyren, vil fordelen av den ikke være for stor - varmekapasiteten til en grunnvarmeakkumulator av rimelig størrelse er ganske begrenset, og det er tydeligvis ikke nok for hele den russiske vinteren , selv om en slik tilførsel av varme fortsatt er bedre enn ingenting. I tillegg er nivået, volumet og hastigheten på grunnvannstrømmen veldig viktig her - rikelig fuktet jord med tilstrekkelig høy vannstrøm vil ikke tillate deg å lage "reserver for vinteren" - rennende vann vil føre bort den injiserte varmen med det (selv en liten bevegelse av grunnvann med 1 meter per dag på bare en uke vil føre den lagrede varmen til siden med 7 meter, og den vil være utenfor arbeidsområdet til varmeveksleren). Riktignok vil den samme strømmen av grunnvann redusere graden av avkjøling av jorda om vinteren - nye deler av vann vil bringe ny varme, mottatt av dem bort fra varmeveksleren. Derfor, hvis det er en dyp innsjø i nærheten, en stor dam eller en elv som aldri fryser til bunnen, er det bedre å ikke grave jorda, men å plassere en relativt kompakt varmeveksler i et reservoar - i motsetning til stasjonær jord, til og med i en stillestående dam eller innsjø kan fri vannkonveksjon gi mye mer effektiv varmetilførsel til varmeavtrekkeren fra et betydelig volum av reservoaret. Men her er det nødvendig å sørge for at varmeveksleren under ingen omstendigheter vil superkjøles til frysepunktet for vann og ikke begynner å fryse is, siden forskjellen mellom konveksjonsvarmeoverføring i vann og varmeoverføringen til en isbelegg er enorm. (Samtidig skiller den termiske ledningsevnen til frossen og ufrossen jord seg ofte ikke så sterkt, og et forsøk på å bruke den enorme varmen fra krystallisering av vann i bakken varmefjerning under visse forhold kan rettferdiggjøre seg selv).

Prinsippet for drift av en geotermisk varmepumpe er basert på oppsamling av varme fra jord eller vann, og overføring til bygningens varmesystem. For å samle varme, strømmer den ikke-frysende væsken gjennom et rør som ligger i jorda eller reservoaret nær bygningen til varmepumpen. En varmepumpe, som et kjøleskap, kjøler væsken (fjerner varme), mens væsken avkjøles med ca. 5 °C. Væsken strømmer igjen gjennom røret i den ytre jord eller vann, gjenvinner sin temperatur og går igjen inn i varmepumpen. Varmen som hentes ut av varmepumpen overføres til varmesystemet og/eller til varmtvannsoppvarming.

Det er mulig å trekke ut varme fra undergrunnsvann - undergrunnsvann med en temperatur på ca. 10 ° C tilføres fra brønnen til varmepumpen, som avkjøler vannet til +1 ... + 2 ° C, og returnerer vannet under jorden . Ethvert objekt med en temperatur over minus to hundre og syttitre grader Celsius har termisk energi - den såkalte "absolutt null".

Det vil si at en varmepumpe kan ta varme fra en hvilken som helst gjenstand - jord, vann, is, stein osv. Hvis bygningen, for eksempel om sommeren, må avkjøles (klimaanlegg), skjer den omvendte prosessen - varme tas fra bygningen og slippes ut i bakken (reservoar). Den samme varmepumpen kan fungere om vinteren for oppvarming, og om sommeren for å kjøle ned bygningen. Åpenbart kan en varmepumpe varme vann til varmtvann til husholdningsbruk, klimaanlegg gjennom viftekonvektorer, varme opp et svømmebasseng, kjøle ned for eksempel en skøytebane, varme tak og gangveier fra is ...
Ett utstyr kan utføre alle funksjonene til å varme og kjøle en bygning.

Enkelt sagt er driftsprinsippet til en varmepumpe nær det for et husholdningskjøleskap - den tar termisk energi fra en varmekilde og overfører den til varmesystemet. Varmekilden for pumpen kan være jord, stein, atmosfærisk luft, vann fra forskjellige kilder (elver, bekker, grunning, innsjøer).

Typer varmepumper er klassifisert i henhold til varmekilden:

luft-til-luft;
vann-luft;
vann-vann;
grunnvann (grunnvann);
isvann (sjelden).

Oppvarming, klimaanlegg og varmtvann - alt dette kan leveres av en varmepumpe. For å sikre alt dette trenger han ikke drivstoff. Elektrisiteten som brukes for å opprettholde driften av pumpen er omtrent 1/4 av forbruket til andre typer oppvarming.

Komponenter i et varmesystem på en varmepumpe

Kompressor- hjertet av varmesystemet på varmepumpen. Den konsentrerer den avledede lavgradige varmen, øker temperaturen på grunn av kompresjon, og overfører den til kjølevæsken i systemet. I dette tilfellet brukes elektrisitet utelukkende på kompresjon og overføring av termisk energi, og ikke på oppvarming av kjølevæsken - vann eller luft. Ifølge gjennomsnittlige estimater brukes opptil 2,5 kW elektrisitet per 10 kW varme.

Oppbevaringstank for varmt vann(for omformersystemer). Lagringstanken lagrer vann som utjevner varmebelastningene til varmesystemet og varmtvannet.

kjølemiddel. Den såkalte arbeidsvæsken, som er under lavt trykk og koker ved lave temperaturer, er en absorber av lavpotensialenergi fra en varmekilde. Dette er gassen som sirkulerer i systemet (freon, ammoniakk).

Fordamper, som sikrer valg og overføring av termisk energi til pumpen fra en lavtemperaturkilde.

Kondensator, som overfører varme fra kjølemediet til vannet eller luften i systemet.
Temperatur kontroller.

Primær og sekundær grunnkontur. Overføring av varme fra kilden til pumpen og fra pumpen til sirkulasjonssystemet for hjemmevarme. Primærkretsen består av: fordamper, pumpe, rør. Den sekundære kretsen inkluderer: kondensator, pumpe, rørledning.

Luft-til-vann varmepumpe 5-28 kW

Luft-til-vann varmepumpe for oppvarming og varmtvannsforsyning 12-20 kW

Prinsippet for drift av en varmepumpe er absorpsjon og påfølgende frigjøring av termisk energi i prosessen med fordampning og kondensering av en væske, samt en endring i trykk og en påfølgende endring i temperaturen på kondensering og fordampning.

En varmepumpe endrer varmebevegelsen – den får den til å bevege seg i motsatt retning. Det vil si at HP er den samme hydrauliske, som pumper væsker fra bunn til topp, i motsetning til den naturlige bevegelsen fra topp til bunn.

Kuldemediet komprimeres i kompressoren og overføres til kondensatoren. Høyt trykk og temperatur kondenserer gassen (freon er det vanligste), varme overføres til kjølevæsken i systemet. Prosessen gjentas når kjølemediet passerer gjennom fordamperen igjen - trykket synker og lavtemperaturkokeprosessen starter.

Avhengig av kilden til lavgradig varme, har hver type pumpe sine egne nyanser.

Egenskaper til varmepumper avhengig av varmekilden

Luft-til-vann varmepumpen er avhengig av lufttemperaturen, som ikke skal falle under +5°C over bord, og den oppgitte varmekonverteringskoeffisienten COP 3,5-6 kan kun oppnås ved 10°C og over. Pumper av denne typen er installert på stedet, på stedet der vi blåser gjennom, og de er også installert på takene. Det samme kan sies om luft-til-luft-pumper.

Type grunnvannspumpe

Grunnvannspumpe eller en jordvarmepumpe henter termisk energi fra bakken. Jorden har en temperatur på 4°C til 12°C, alltid stabil på en dybde på 1,2 -1,5 m.

Det er nødvendig å plassere en horisontal samler på stedet, området avhenger av jordtemperaturen og størrelsen på det oppvarmede området, ingenting kan plantes og plasseres over systemet bortsett fra gress. Det er en versjon av en vertikal samler med en brønn opp til 150 m. Den mellomliggende kjølevæsken sirkulerer gjennom rør lagt i bakken og varmer opp til 4 ° C, og avkjøler jorda. På sin side må jorda ta igjen varmetapet, noe som betyr at det trengs hundrevis av meter med rør for effektiv drift av HP.

Varmepumpe"vann-vann"

Varmepumpe "vann-vann" fungerer på lavgradig varme av elver, bekker, kloakk og grunning. Vann er mer varmekrevende enn luft, men det er noen nyanser i avkjøling av grunnvann - det kan ikke kjøles til frysepunktet, vannet må renne fritt ned i bakken.

Du må være helt sikker på at du i løpet av en dag fritt vil kunne passere titalls tonn vann gjennom deg selv. Dette problemet løses ofte ved å dumpe nedkjølt vann i nærmeste reservoar, med den eneste betingelsen at reservoaret er bak gjerdet ditt, ellers resulterer slik oppvarming i millioner. Er det ti meter til et rennende magasin, vil oppvarming med vann-til-vann varmepumpe være det mest effektive.

Varmepumpe "is-vann"

Varmepumpe "is-vann" en ganske eksotisk type pumper som krever komplettering av en varmeveksler - luft-til-vann-pumpen konverteres til kjølig vann og fjerner is.

I løpet av fyringssesongen samles det opp rundt 250 tonn is, som kan lagres (et slikt isvolum kan fylle et gjennomsnittlig basseng). Denne typen varmepumpe er bra for vintrene våre. 330 kJ/kg - dette er hvor mye varme vann slipper ut ved frysing. I sin tur gir avkjøling av vann med 1°C 80 ganger mindre varme. Oppvarmingshastigheten på 36 000 kJ/t oppnås ved å fryse 120 liter vann. Denne varmen kan brukes til å bygge et varmesystem med en isvann varmepumpe. Selv om det er veldig lite informasjon om denne typen pumper, vil jeg se.

Fordeler og ulemper med varmepumper

Jeg vil ikke tulle her om «grønn» energi og miljøvennlighet, siden prisen på hele systemet viser seg å være skyhøy og her er det siste du tenker på ozonlaget. Hvis du senker kostnadene for varmesystemet på en varmepumpe, så er fordelene:

Sikker oppvarming. Jeg dømmer selv - når gasskjelen min slår på brenneren med bomull, dukker det opp et grått hår på hodet mitt hvert 15. minutt. Varmepumpen bruker ikke brennbart brennstoff med åpen flamme. Ingen lagre av ved og kull.
Effektiviteten til en varmepumpe er ca. 400-500 % (tar 1 kW strøm, bruker 5).
"Ren" oppvarming uten forbrenningsavfall, eksos, lukt.
Stillegående drift med riktig kompressor.

Fet minus varmepumper- prisen på hele systemet som helhet og sjelden møtte ideelle forhold for effektiv pumpedrift.

Tilbakebetalingen på et varmesystem basert på en varmepumpe kan være 5 år, eller kanskje 35, og det andre tallet er dessverre mer realistisk. Dette er et veldig kostbart system på implementeringsstadiet og veldig arbeidskrevende.

Den som forteller deg hva, nå er Kulibinene skilt, det er kun en spesialisert varmeingeniør som skal ta seg av beregninger for en varmepumpe, med besøk på anlegget.