Pompa ciepła

OZE PODR > Pracownia > Pompa ciepła

Pompa ciepła MD-581

Stanowisko dydaktyczne MD-581 służy do demonstracji podstawowych zagadnień związanych z termodynamiką oraz Odnawialnymi Źródłami Energii (OZE).
Stanowisko przeznaczone jest do pracy w laboratorium/pracowni.
Funkcje dydaktyczne stanowiska:
  • poznanie zjawisk fizycznych towarzyszących pracy pompy ciepła,
  • podstawy termodynamiki,
  • identyfikacja elementów składowych pompy-ciepła,
  • poznanie zasady działania sprężarkowej pompy ciepła powietrze-powietrze,
  • pomiar efektywności pompy ciepła i badanie jej zależności od temperatury dolnego
źródła ciepła.
Pompa ciepła – podstawy teoretyczne
 
Pompa ciepła jest urządzeniem, które wykorzystuje rożne zjawiska fizyczne w celu
przekazania energii cieplnej ze środowiska o niskiej temperaturze do środowiska
o temperaturze wyższej. Operacja ta wymaga wykonania pewnej pracy, co wynika z II zasady termodynamiki. W przypadku pompy ciepła na stanowisku, pracę tę wykonuje elektryczna
sprężarka. Ze względu na sposób wykonywania pracy (rodzaj napędu), pompy ciepła możemy podzielić na trzy podstawowe grupy:
  • pompy ciepła absorpcyjne (z napędem cieplnym)
  • pompy termoelektryczne – ogniwa Peltiera;
  • pompy sprężarkowe – z silnikiem elektrycznym.
Sprężarkowa pompa ciepła
 
Sprężarkową pompę ciepła, w najprostszym ujęciu, tworzą dwa wymienniki – skraplacz
i parownik, sprężarka elektryczna oraz zawór rozprężny połączone instalacją z czynnikiem roboczym (czynnikiem termodynamicznym). Układ ten, zwany obiegiem termodynamicznym, współpracuje z dwoma obiegami – obiegiem dolnego źródła ciepła
i obiegiem górnego źródła ciepła.
Obieg dolnego źródła ciepła jest połączony z obiegiem termodynamicznym za pomocą parownika. Jego rolą jest odbieranie ciepła ze źródła niskotemperaturowego (dolnego źródła ciepła) np. otoczenia budynku – wody, gruntu, powietrza i przekazania go do strony pierwotnej parownika. Do wtórej strony parownika doprowadzony jest zimny czynnik termodynamiczny.
Obieg górnego źródła ciepła łączy się z obiegiem termodynamicznym przez skraplacz. Jego zadaniem jest przekazywanie ciepła od gorącego czynnika termodynamicznego do wysokotemperaturowego źródła ciepła (górnego źródła ciepła) np. budynku lub pomieszczenia.
Do pierwotnej strony skraplacza doprowadzony jest czynnik termodynamiczny, natomiast do wtórnej – czynnik roboczy górnego źródła ciepła np. woda grzewcza.
Pompa ciepła wykorzystuje dodatkowo odmienne właściwości fizyczne dolnego i górnego źródła ciepła: dzięki dużej pojemności cieplnej dolnego źródła ciepła praktycznie nie następuje jego wychłodzenie, natomiast pojemność cieplna górnego źródła ciepła jest relatywnie mała, w związku z czym przekazana energia wystarcza do jego ogrzania.
W obiegu termodynamicznym następuje cykliczna zmiana stanu fizycznego czynnika roboczego – sprężanie, skraplanie, rozprężanie, parowanie.
Jednoskładnikowa para czynnika roboczego (A) zostaje sprężona za pomocą sprężarki, co należy rozumieć jako zwiększenie ciśnienia i temperatury czynnika roboczego.
Czynnik roboczy w stanie (B) trafia do skraplacza, gdzie ulega skropleniu przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W trakcie kondensacji w skraplaczu wydziela się ciepło, dostarczane
do górnego źródła ciepła. Po opuszczeniu skraplacza czynnik w stanie (C) trafia do zaopatrzonego w termostat zaworu rozprężnego, w którym zostaje rozprężony od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania, osiągając stan (D). Znajdująca się w stanie (D) mieszanina para — ciecz trafia do parownika, gdzie następuje jej odparowanie. W trakcie odparowania,
w warunkach stałego ciśnienia i temperatury, czynnik roboczy pobiera ciepło z dolnego źródła ciepła. Po opuszczeniu parownika, w postaci pary o stanie (A), czynnik trafia ponownie do sprężarki.