Pompă de căldură

O pompă de căldură este o instalație care, consumând lucru mecanic, transferă căldură de la un mediu de temperatură mai joasă (mai rece) la altul de temperatură mai înaltă (mai cald). Cantitatea de căldură transmisă mediului cald este mai mare decât lucrul mecanic consumat. Aceste instalații se folosesc în general pentru încălzire.

Pompa de căldură

Pompa de căldură este un dispozitiv cu ajutorul căruia se poate transporta căldură de la o locație ("sursă") la o altă locație ("radiator" sau "schimbător de căldură") folosind lucru mecanic, de obicei în sens invers direcției naturale de mișcare a căldurii. Majoritatea pompelor de căldură sunt folosite pentru a muta căldura de la o sursă cu temperatură mai mică la un radiator cu temperatură mai mare. Cele mai comune exemple de astfel de pompe se regăsesc în frigidere, congelatoare, aparate de aer condiționat și invertoare de căldură.

Funcționarea pompelor de căldură se bazează pe proprietățile unui fluid la schimbarea stării de agregare, mai precis la lichefiere si evaporare. Cel mai adesea pompele de căldură extrag căldura din aer sau pământ, motiv pentru care unele din ele nu mai lucrează eficient când temperatura mediului scade sub -5 °C.

Principiu de functionare

În conformitate cu principiul al doilea al termodinamicii, căldura nu poate “curge” spontan dintr-o locație mai rece într-o zonă mai caldă; lucru mecanic este necesar pentru a realiza acest lucru.

Având în vedere că pompa de căldură sau frigiderul utilizează un anumit lucru mecanic pentru a muta lichidul refrigerant, cantitatea de energie depusă pe partea de cald este mai mare decât cea luată din partea rece.

Cele mai întâlnite pompe de căldură funcționează prin exploatarea proprietăților fizice ale unui fluid cunoscut sub denumirea de "agent frigorific" atunci când acesta trece prin procese de evaporare și de condensare.

Reprezentare schematică a ciclului de funcționare prin vaporizare-condensare pentru o pompa de căldură: 1) condensator, 2) supapă de expansiune, 3) evaporator, 4) compresor.

Fluidul de lucru, în stare gazoasă, este sub presiune și circulat prin sistem prin intermediul unui compresor. La ieșirea din compresor, gazul acum fierbinte și sub presiune mare este răcit într-un schimbător de căldură numit "condensator", până când condensează într-un lichid aflat la o presiune mare și o temperatură moderată. Agentul frigorific condensat trece apoi printr-un dispozitiv de scădere a presiunii ca o supapă de expansiune, un tub capilar, sau eventual un dispozitiv extractor de lucru mecanic, cum ar fi o turbină. După acest dispozitiv, lichidul refrigerant aflat acum într-o stare cvasi-lichidă trece printr-un alt schimbător de căldură numit "evaporator" în care agentul refrigerant se evaporă prin absorbție de căldură. Fluidul revine astfel la compresor și ciclul se repetă.

Într-un astfel de sistem este esențial ca agentul frigorific să ajungă la o temperatură suficient de mare atunci când este comprimat, deoarece conform legii a doua a termodinamicii căldura nu poate curge dintr-un mediu rece la unul mai cald. Practic, acest lucru înseamnă că agentul frigorific trebuie să ajungă la o temperatură mai mare decât cea ambientală în jurul schimbătorul de căldură din partea de presiune înaltă. În mod similar, lichidul trebuie să ajungă la o temperatură suficient de scăzută după expansiune pentru a putea absorbi energie termică din mediul rece, adică lichidul trebuie să fie mai rece decât mediul înconjurător schimbătorului de căldură din partea de joasă presiune. În special, diferența de presiune trebuie să fie suficient de mare pentru ca fluidul să condenseze în partea fierbinte și să se poată încă evapora în regiunea de presiune mai mică, la partea rece. Cu cât se dorește o diferență de temperatură mai mare, cu atât diferența de presiune necesară va fi mai mare și prin urmare, mai multă energie necesară pentru a comprima fluidul. Astfel, în cazul tuturor pompelor de căldură, eficiența energetică (cantitatea de căldură mutată pe unitate de lucru mecanic consumat) scade cu creșterea diferenței de temperatură.

Frigiderele, aparatele de aer condiționat precum și unele sisteme de încălzire sunt aplicații obișnuite care utilizează această tehnologie. Datorită necesarului foarte variat de temperaturi și de presiuni, sunt disponibili mulți agenți frigorifici diferiți.

În aplicații din domeniul climatizării, o pompă de căldură se referă în mod normal la un dispozitiv de vaporizare-condensare care include o supapă dublu-sens și schimbătoare de căldură optimizate, astfel încât direcția fluxului de căldură poate fi inversat. Prin intermediul supapei se selectează direcția pe care circula agentul refrigerant pe parcursul unui ciclu și prin urmare, pompa de căldură poate furniza unei clădiri fie încălzire fie răcire. În climatele mai reci setarea implicită a supapei este de încălzire, în timp ce setarea implicită în climatele calde este de răcire. Pentru că cele două schimbătoare de căldură, condensator și vaporizator, trebuie să schimbe între ele funcțiile, ele sunt optimizate pentru a efectua în mod corespunzător în ambele moduri. Ca atare, eficiența unei pompe de căldură reversibilă este de obicei ușor mai mică decât cea a două mașini separate optimizate pentru un singur proces.

În aplicațiile de instalații sanitare, o pompa de căldură este uneori utilizată pentru încălzirea sau preîncălzirea apei pentru piscine sau încălzitoare de apă menajeră.

În aplicații oarecum rare, ambele capacități atât de extracție cât și de adăugare de căldură pot fi utile și de obicei rezultă în utilizarea foarte eficientă a energiei de intrare. De exemplu, atunci când un aparat de aer condiționat folosit pentru răcire poate fi adaptat la un aparat pentru încălzirea apei, o singură pompă de căldură poate sluji la două scopuri utile. Din păcate, aceste situații sunt rare din cauza cererii semnificativ diferite pentru profile de încălzire și răcire.

Agenți frigorifici

Până în anii 1990, agenții frigorifici folosiți cu preponderență erau clorofluorocarburi, cum ar fi R-12, parte din clasa fluorurilor clasice. Producția acestor agenți a fost oprită în 1995 datorită impactului negativ pe care aceștia îl aveau asupra stratului de ozon. Au fost înlocuiți cu hidroclorofluorocarburi, mai cunoscute ca R-134a. Acești agenți au înlăturat problemele legate de instabilitatea clorului la expunerea la ultraviolete, dar aveau eficiență mai scăzută comparativ cu R-12, necesitând un aport mai mare de energie mecanică. În aceeași perioadă s-au mai introdus amoniacul (NH₃) și propanul sau butanul, mai puțin corozivi dar inflamabili.

Începând cu anul 2001 s-a introdus dioxidul de carbon, cunoscut ca R-744. În aplicații rezidențiale și comerciale hidroclorofluorocarburile, R-22, sunt în continuare răspândite, deși utilizarea hidrofluorocarburilor este în creștere, fiind considerați froni de substituție definitivă pentru că nu conțin clor și astfel nu dăunează deloc stratului de ozon. În aparate cu ciclu Stirling sunt folosiți ca agenți refrigeranți hidrogenul, heliul, azotul și chiar aerul, fiind astfel aparatele cele mai prietenoase pentru mediu. Cele mai recente aparate încearcă folosirea izobutanului, R-600A, un agent ce nu distruge stratul de ozon și este considerat ”verde”.

Tipuri de pompe de căldură

Cele două tipuri principale de pompe de căldură sunt pompele de căldură cu compresie și pompele de căldură cu absorbție. Pompele de căldură cu compresie funcționează întotdeauna folosind energia mecanică (prin energie electrică), în timp ce pompele de căldură cu absorbție pot rula și pe căldură ca sursă de energie (prin intermediul de energie electrică sau combustibili).

O serie de surse au fost folosite ca surse de căldură pentru încălzirea clădirilor private și administrative:

• pompe de căldură pe sursă de aer (extrag căldura din aerul exterior)
  • pompe de căldură aer-aer (transferă energie termică aerului din interior)
  • pompe de căldură aer-apă (transferă energie termică unui rezervor de apă)

• pompe de căldură geotermale (extrag căldura din sol sau din surse similare)
  • pompe de căldură geotermale-aer (transfer de energie termică către aerul din interior)
    • pompe de căldură sol-aer (solul este sursă de căldură)
    • pompe de căldură rocă-aer (roca este sursă de căldură)
    • pompe de căldură apă-aer (corp de apă ca sursă de căldură)
  • pompe de căldură geotermale-apa (transferă căldură unui rezervor de apă)
    • pompe de căldură sol-apă (solul este sursă de căldură)
    • pompe de căldură roca-apă (roca este sursă de căldură)
    • pompe de căldură apă-apă (corp de apă ca sursă de căldură)