Technológiák - A hőszivattyúk működése
A hőszivattyús rendszer az alacsony hőmérsékleten is rendelkezésre álló hőenergiát magasabb hőmérsékletű hőenergiává alakítja.
A hőszivattyúk működésének elméleti háttere
A gázok állapotát négy állapotjelzővel lehet leírni: nyomás, tömeg, hőmérséklet és térfogat. Az egyesített gáztörvény kimondja, hogy ha a gáz tömege nem változik, akkor a gáz nyomása egyenesen arányos a hőmérsékletével, és fordítottan arányos a térfogatával. Ebből számunkra az a fontos tanulság, hogy ha egy gázt összenyomunk, akkor az felmelegszik, és fordítva: ha egy gáz kitágul, akkor lehűl. Ismert gyakorlati példa ezekre a jelenségekre a bicikli pumpa, aminek alja felforrósodik az összenyomott levegő hatására. Vagy ilyen jelenség a szódásszifonba csavart patron esete is, amely hirtelen nagyon lehűl a nyomásvesztés hatására.
Azt is fontos tudni a hőszivattyúk működésének megértéséhez, hogy az olvadás és a forráspont az egyes anyagok esetében a nyomás változásának hatására megváltozik. Normál légköri nyomáson (1 atmoszféra, azaz kb. 101,3 KPa) pl. a víz 100 Celsius fokon forr, 2 atmoszféra nyomáson 120 Celsius fokon. A Himalája csúcsán, ahol a tengerszintinél alacsonyabb nyomás uralkodik (körülbelül 1/3 atmoszféra), elég a vizet 70-72 Celsius fokig melegíteni ahhoz, hogy forrni kezdjen.
A különböző anyagok forráspontja is különböző. A hőszivattyúk munkaközegének olyan anyagot választanak, amelyek alacsonyabb hőfokon forrnak, mint a víz.
A folyadékok forrás, vagy párolgás közben energiát vonnak el a környezetükből, mig a gázok lecsapódáskor energiát adnak le. A lecsapódást kondenzációnak is hívják.
Ennyi elmélet már elegendő ahhoz, hogy a hőszivattyú működését megérthessük.
A hőszivattyúk gyakorlati működése
A hőszivattyúk működése egy folyamatosan ismétlődő körfolyamat, amely 4 lépéssel írható le. Itt a fűtés folyamatát ismertetjük, de a hűtés folyamata is ugyanez, csak visszafelé. A 4 lépés tehát:
1. Az előző fejezetből tudjuk, hogy ha megfelelően alacsony nyomást biztosítunk egy folyadéknak, akkor az már viszonylag alacsony hőmérsékleten is párologni, forrni kezd, és gáz halmazállapotúvá válik. Eközben energiát von el a környezetétől, vagyis hűti azt. Az alacsony nyomásnak köszönhetően ráadásul a gáz hőmérséklete is alacsony lesz, jó esetben alacsonyabb, mint a környező hőmérsékleté, ezáltal még több hőenergiát képes elnyelni. Természetesen ez a folyamat az épületen kívül történik, így a munkaközegben eltárolt energiát a külső környezettől (külső levegő, vagy talaj) vonjuk el.
2. Az első lépést követően tehát a munkaközegünk gáz halmazállapotú, és nagy mennyiségű hőenergiát tartalmaz. A gáz innen a kompresszorba kerül, amely a gázt összenyomva megemeli annak hőmérsékletét.
3. A munkaközeg innen a kondenzátorba kerül - amelynek hőmérséklete alacsonyabb a munkaközegénél - ahol ismét lehűl és lecsapódik, így a benne tárolt nagy mennyiségű hőenergiát leadja a kondenzátornak. A kondenzátor a hőenergiáját a vízmelegítőnek, a fűtőtestnek, vagy padlófűtő körnek stb. adja le, így fűti az épületeket, melegíti a vizet, és emiatt marad a kondenzátor hőmérséklete elég alacsony ahhoz, hogy a munkaközeg az energiáját itt le tudja adni.
Azaz, az első lépésben eltárolt energiát a kondnezátoron keresztül juttajuk be a fűtendő térbe.
4. Az immár ismét folyékony munkaközeg áthalad egy tágulási szelepen, ahol a nyomás ismét lecsökken, újra kezdődik az elpárolgás, és ezáltal az egész folyamat.
Vegyük észre, hogy külső energiát csak a kompreszor működtetéséhez kell igénybe vennünk. Az eltárolt hő nagy részét a külső környezettől vonjuk el. Ennek köszönhető, hogy a hőszivattyúk a felvett villamos teljesítmény többszörösét adják le fűtési teljesítményként. Ez a folyamat tehát a látszat ellenére sem mond ellent az energia megmaradás törvényének.
Ha a hőszivattyút hűtésre használjuk, akkor csak annyi változás történik a fent leírt folyamathoz képest, hogy a párologtatást a lakásban (vagy a hűtést igénylő közegben) végezzük el, a kondenzálást pedig kültéren.