UNIVERSITATEA TEHNICĂ CLUJ-NAPOCAFACULTATEA DE INSTALAŢII

STUDII APROFUNDATE

POMPE DE CĂLDURĂ

Ing. Corui Alexandru Eugen

Cluj-Napoca2010

GENERALITATI.

Un obiectiv important pentru politica energetică este de a reduce consumul combustibililor fosili, de a proteja mediu şi de a dezvolta tehnologica.

Pentru aceasta folosirea regenerativă este foarte importantă deoarece are loc încălzirea globală, ce are efecte negative asupra Pământului, deci a vieţii populaţiei. Energia recuperativă nu emite gaze cu efect de seră, ea aflându-se în resurse naturale precum soarele, biomasă, vânt, ploaie şi căldură geotermală. În Uniunea Europeană această energie este folosită în proporţie de 8,5 % din totalul ei (Malta 0%, Suedia 39%) obiectivul fiind ca până în anul 2020 acest procent să crească până la 20%.

O instalaţie ce foloseşte energia regenerativă, pentru încălzire şi pentru prepararea apei calde menajere este cea cu pompă de căldură care pentru schimbul de energie foloseşte un agent termic (freoni ecologici).

În această ordine de idei, folosirea surselor regenerabile de energie, pentru încălzirea locuinţelor, este un obiectiv interesant care are ca scop, în contextul dezvoltării durabile, creşterea siguranţei în alimentarea cu energie, protejarea mediului înconjurător şi dezvoltarea la o scară comercială a tehnologiilor energetice.

În cazul locuinţelor această energie este tot mai des utilizată, deoarece are avantaje şi pe plan economic. Pentru menţinerea acestei energii în interiorul clădirii acestea se pot izola cu materiale termoizolante, astfel se evită cât mai mult pierderile de căldură din interior.

Instalaţiile termice care folosesc surse de energie regenerabile sunt, în prezent, o soluţie bună pentru o energie ieftină şi relativ curată. Deoarece energiile regenerabile nu produc emisii poluante prezintă reale avantaje pentru mediul mondial şi pentru combaterea poluării locale. Obiectivul principal al folosirii energiilor regenerabile este reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Studiile oamenilor de stiinţă au devenit în ultimii ani din ce în ce mai mari în a aprecia ca o creştere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încalzire globală a atmosferei terestre de 2-6°C, până la sfârşitul acestui secol, cu efecte dezastroase asupra mediului înconjurător.

Ţinând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii de înlocuire a instalaţiilor existente, este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate şi a celor care presupun consumuri energetice reduse.

Este importantă eficientizarea energetică, mai ales în cazul construcţiilor care utilizează surse regenerabile de energie prin reducerea pierderilor de căldură, acest lucru fiind realizabil cu ajutorul materialelor termoizolante cu conductivitate termică redusă.

De mare actualitate sunt analizele şi intervenţiile legate de economia de energie în condiţiile asigurării unui confort corespunzător. Acest aspect a fost denumit eficientizarea energetică a clădirilor. În paralel cu reducerea necesarului de energie, se realizează două obiective importante ale dezvoltării durabile, şi anume, economia de resurse primare şi reducerea emisiilor poluante în mediul înconjurător.

Eficientizarea energetică a clădirilor reprezintă o prioritate de prim rang, având în vedere slaba calitate a majorităţii construcţiilor existente, fie vechi, fie ieftine. Pe de altă parte, costurile

legate de reabilitarea termică a unei clădiri sunt mai mici decât costurile legate de instalarea unei capacităţi suplimentare de energie termică pentru încălzire. În România, consumurile energetice pentru sectorul populaţiei sunt la nivelul a 40% din consumul total de energie al ţării, iar ponderea aceasta s-a constatat mai mult sau mai puţin peste tot în lume.

În procesele de propagare a căldurii se urmăreşte fie determinarea energiei termice maxime care poate fi transmisă prin unitatea de suprafaţă, fie obţinerea randamentului optim de utilizare a unor surse de căldură, sau reducerea la minimum a trecerii unui flux termic printr-o anumită suprafaţă.

Fenomenele de transmitere termică sunt variabile în timp, ele fiind şi fenomene ireversibile, deoarece diferenţa de temperatură care intervine nu poate fi niciodată infinit mică.

Mecanismele (sau modurile) de transfer al căldurii sunt conducţia termică, convecţia termică şi radiaţia termică. Fluxul de căldură prin anvelopa unei clădiri se poate realiza prin unul, două sau toate cele trei moduri.

Conducţia termică reprezintă transportul direct al căldurii în interiorul aceluiaşi corp material. Apare într-un mediu staţionar (fie el solid, lichid sau gazos) prin transferul de energie microscopică de la particulele componente (molecule, atomi) cu viteze mari spre cele cu viteze mici, ca urmare a ciocnirilor inerente dintre particule. Ca urmare, conducţia termică se realizează mai bine prin solide şi lichide decât în gaze, unde densitatea de particule este scăzută. Materialele izolatoare termic au adesea o structură poroasă, cu spaţii umplute cu aer, reducând astfel fluxul de căldură prin anvelopă. Proprietatea materialelor de a transfera căldura prin conducţie se numeşte conductivitate termică, iar valorile ei sunt dependente de temperatură. În literatura de specialitate sunt prezentate valori sau expresii de calcul pentru conductivitatea termică a majorităţii materialelor utilizate în inginerie. Convecţia termică este o transmitere de căldură macroscopică. Apare între o suprafaţă şi un fluid În mişcare, realizându-se prin acţiunea combinată a conducţiei termice prin fluid şi a mişcării macroscopice de ansamblu a fluidului. Aceasta din urmă este în mare parte responsabilă de transportul de energie microscopică între suprafaţă şi fluid. Într-o încăpere neizolată, de exemplu, aerul "culege" căldura de la peretele cald, apoi circulă, ajungând la peretele rece prin care ea se pierde. O parte a căldurii se transferă şi prin amestecarea aerului cald cu aer rece. Convecţia termică este de două feluri: convecţie forţată, atunci când mişcarea fluidului este impusă cu mijloace mecanice (cu pompe, ventilatoare etc.) sau naturale (vânturile); şi convecţie naturală, atunci când mişcarea fluidului se naşte natural din diferenţele de densitate generate de diferenţele de temperatură locale (fluidul mai cald urcă, iar cel rece coboară, formându-se aşa numiţii curenţi convectivi).

Radiaţia termică reprezintă calea de transmitere a căldurii sub formă de energie radiantă (sub forma undelor electromagnetice), ca urmare a modificărilor intervenite în configuraţia electronică a corpului emitor. Radiaţia termică se manifestă la orice nivel de temperatură şi, spre deosebire de conducţie şi convecţie, nu necesită un mediu transportor. Sunt situaţii în care radiaţia termică este mică, chiar neglijabilă, în comparaţie cu celelalte moduri de transfer (Ia diferenţe mici şi medii de temperatură), sau sunt situaţii în care radiaţia termică este dominantă (Ia diferenţe mari de temperatură, precum radiaţia incidentă de la soare, sau pe timp de noapte spre spaţiul atmosferic îndepărtat). Dacă o persoană stă în faţa unei ferestre reci, ea pierde căldură şi simte frig, chiar dacă temperatura aerului la interior este ridicată.

Controlul fluxului de căldură prin anvelopă se realizează prin intermediul unui material izolator termic, care înveleşte anvelopa clădirii pentru a – i reduce pierderile de căldură spre exterior.

Consumul de energie termică pentru încălzire, cu referire la energia primară la nivelul sursei termice, depinde, atât de sarcina termică a consumatorului, cât şi de performanţele de ansamblu ale instalaţiei dar şi de caracteristicile constructive şi funcţionale ale elementelor componente.

Clasificarea construcţiilor se poate face astfel:

-fără izolaţie termică;

-cu izolaţie rudimentară;

-termoizolaţie normală (5 cm polistiren) ;

-case cu termoizolaţie bună (10, 12 cm polistiren) ;

-case cu consum energetic redus;

-case pasiv energetic.

Repartizarea pierderilro de energie la o contrucţie

În momentul de faţă la nivel mondial, principala sursă energetică (aproximativ 70%) se obţine din arderea combustibililor: cărbune, petrol, gaze naturale, însă acestea sunt epuizabile şi arderea lor produce mari cantităţi de C02, o altă a parte constituind-o energia obţinută în centralele nucleare şi hidrocentrale. O treime din energia produsă este utilizată pentru încălzire şi producerea de apă caldă menajeră.

În ritmul actual de creştere a consumului de combustibili clasici este nevoie să găsim surse energetice mai ieftine. Totodată începe să se vadă efectul negativ al utilizării combustibililor clasici (emisiile de noxe, efectul de seră). Este important să ne preocupăm de găsirea şi promovarea de noi tehnologii şi aplicaţii privind utilizarea resurselor energetice neconvenţionale.

Folosirea unei pompe de căldură pentru încălzire şi pentru prepararea apei calde menajere are destul de multe avantaje.

Pompa de căldură obţine aproape trei sferturi din energia necesară pentru încălzire din mediul înconjurător, iar pentru restul, pompa de căldură utilizează ca energie de acţionare curent electric. Pompa de caldură oferă posibilitatea pentru încălzire economică şi ecologică prin utilizarea căldurii ecologice.

A. Energie de acţionare (curent electric) ;

B. Căldura ecologică (sol, apă, aer);

C. Căldura pentru încălzire.

Pompele de căldură sunt centrale termice folosite pentru încălzirea clădirilor. Ele funcţionează singure sau în tandem cu altă centrală termică.

Pentru îcălzirea agentului termic şi a apei calde menajere folosesc cădura mediului înconjurător, căldură pe care o captează folosind echipamente clasice, alimentate cu energie electrică. Practic 25% din energia necesară încălzirii locuinţei este energie electrică şi 75% este energie gratuită captată din mediu înconjurător.

Tehnologia modernă folosită de producători la fabricarea pompelor de căldură garantează crearea unui mediu cald şi confortabil pe toată perioada rece a anului.

Datorită creşterii nevoii de confort şi a necesităţilor de răcire, răcirea separat de încălzire primeşte din ce în ce mai mare importanţă. Prin urmare, pompele de căldură reversibile aer – apă pot fi folosite ca şi sisteme eficiente de răcire. Sau în cazul pompelor de căldură sol – apă colectorii săi din sol pot fi folosiţi prin răcire directă. Aplicarea pompelor de căldură atât pentru încălzire cât şi pentru răcire cât şi posibilităţile de combinare cu sisteme de ventilare asigurând un confort optim pe toată durata anului. Producerea apei calde cu minim de costuri completează o parte largă de aplicări a pompelor de căldură.

Pompele de căldură sunt extrem de economice deoarece folosesc mai puţină energie primară decât sistemele de încălzire bazate pe produse petroliere. Doar un mic procent din căldura generată trebuie plătită.

Costurile iniţiale sunt competitive cu cele ale sistemelor de încălzire convenţionale, deoarece nu există cheltuieli adiţionale pentru rezervare de combustibil, coşuri de fum, guri de aerisire sau branşamente de gaz şi nu există cheltuieli pentru întrţinere periodică.

Centralele geotermale denumite şi pompe de căldură sunt printre cele mai sigure şi durabile sisteme de încălzire existente. Nu produc poluare în casă, nu necesită flacără sau combustibil pentru combustie şi nu necesită întreţinere.

Pompa de căldură este o maşină termică care are rolul de a prelua căldura de la un mediu având temperatura mai scăzută şi de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată, altfel spus este o instalaţie ce se cuplează la o sursă de căldură de potenţial termic mai scăzut şi la un consumator de căldură care are un nivel termic mai ridicat, aceasta fiind sursa rece, respectiv sursa caldă.

Qk – fluxul de căldură absorbit de sursa rece

Q0 – fluxul de căldură cedat sursei calde

Schema energetică a pompelor de căldură

Sursele de căldură pot fi depedente mai mult sau mai puţin de temperatura exterioară sau pot fi provenite din diferite procese industriale. Pompele de căldură pot să preia căldura din aer, apă, din energia solară, din deşeuri etc.

Principiu funcţionării pompei de căldură

Sunt cunoscute mai multe puncte de vedere în conformitate cu care sunt clasificate instalaţiile de pompe de căldură, o clasificare completă şi riguroasă fiind foarte dificilă din cauza numeroaselor tipuri constructive şi condiţiilor de funcţionare.

În funcţie de modul de realizare al ciclului de funcţionare, precum şi de forma energiei de antrenare există următoarele tipuri de pompe de căldură:

- Pompe de căldură cu comprimare mecanică de vapori sau gaze, prevăzute cu compresoare cu piston, turbocompresoare, compresoare elicoidale antrenate de motoare electrice sau termice. În cazul acestei pompe de căldură este posibilă atingerea unor temperaturi ridicate cu ajutorul sistemelor în mai multe trepte, dar acestea sunt complexe şi necesită investiţii mari. Problema cheie constă în găsirea unor fluide capabile să condenseze la temperaturi peste 120°C. Utilizarea amestecurilor non-azeotrope poate contribui la soluţionarea problemei şi permite chiar atingerea unei eficienţe ridicate.

- Pompe de căldură cu comprimare cinetică, prevăzute cu compresoare cu jet (ejectoare) şi care utilizează energia cinetică a unui jet de abur. Datorită randamentului foarte scăzut al ejectoarelor şi al consumului ridicat de abur de antrenare acest tip de pompe de căldură este din ce în ce mai puţin utilizat.

- Pompe de căldură cu comprimare termochimică sau cu absorbţie care consumă energie termică, electrică sau solară. Ele prezintă avantajul de a utiliza căldura recuperabilă cu un preţ scăzut şi nu prezintă părţi mobile în mişcare.

- Pompe de căldură cu compresie-resorbţie- se află încă în stare experimentală dar sunt oarte promiţătoare deoarece combină avantajele sistemelor cu compresie cu cele ale sistemelor cu absorbţie. Aceste pompe sunt capabile să atingă temperaturi ridicate de până la 180 °C şi valori ridicate ale eficienţei. Agenţii termici de lucru pot fi soluţii binare inofensive.

- Pompe de căldură termoelectrice bazate pe efectul Peltier şi care consumă energie electrică.

După puterea instalată pompele de căldură pot fi:

- instalaţii mici: folosite pentru prepararea apei calde sunt realizate în combinaţie cu frigiderele având o putere de până la 1 KW.

- instalaţii mijlocii: destinate în principal pentru climatizare şi încălzire pe întreaga durată a anului în locuinţe relativ mici şi birouri. Puterea necesară acţionării este cuprinsă între 2 până la 20 KW iar puterea termică poate ajunge până la 100 KW.

- instalaţii mari: pentru condiţionare şi alimentare cu căldură. Aceste instalaţii sunt cuplate de regulă cu instalaţii de ventilare, de multe ori având şi sarcină frigorifică servind la răcirea unor spaţii de depozitare sau servind patinoate artificiale. Puterea de acţionare este cuprinsă între câţiva zeci şi sute de KW iar puterea termică depăşeşte în general 1000 KW.

- instalaţii foarte mari: folosite în industria chimică, farmaceutică pentru instalaţii de vaporizare, concentrare, distilare. Puterea termică depăşeşte câteva mii de KW şi din această cauză sunt acţionate numai de compresoare.

În funcţie de domeniu de utilizare a pompelor de căldură se pot clasifica în:

-Pompe de căldură utilizate pentru încălzirea şi condiţionarea aerului în clădiri. Aceste pompe de căldură utilizează aerul atmosferic ca sursă de căldură, fiind recomandabile în regiunile cu climat temperat.

-Pompe de căldură folosite ca instalaţii frigorifice şi pentru alimentarea cu căldură. Aceste pompe de căldură sunt utilizate succesiv pentru răcire în timpul verii şi pentru încălzire în timpul iernii.

-Pompe de căldură folosite ca termocompresoare. Acestea sunt utilizate în domeniul instalaţiilor de distilare, rectificare, congelare, uscare, etc.

-Pompe de căldură utilizate în industria alimentară ca termocompresoare precum şi în scopuri de condiţionare a aerului sau tratare a acestuia în cazul întreprinderilor de produse, zaharoase, respectiv cel al antrepozitelor frigorifice de carne.

-Pompe de căldură destinate industriei energetice. În acest caz, ele sunt folosite pentru încălzirea camerelor de comandă, sursa de căldură fiind, spre exemplu, apa de răcire a condensatoarelor sau căldura evacuată de la generatoarele şi transformatoarele electrice.

-Pompe de căldură utilizate pentru recuperarea căldurii din resursele energetice secundare. Se recomandă valorificarea prin intermediul pompelor de căldură a căldurii evacuate prin condensatoarele instalaţiilor frigorifice sau a energiei apelor geotermale.

-Pompe de căldură folosite în industria de prelucrare a laptelui - acestea sunt utilizate simultan pentru răcirea laptelui şi prepararea apei calde.

După felul sursei de căldură utilizate pompele de căldură pot fi:

- aer – aer – au ca sursă de căldură aerul atmosferic şi folosesc aerul ca agent purtător de căldură în clădirile în care sunt montate. La acest tip de instalaţii inversarea ciclului este deosebit de uşoară astfel în sezonul rece instalaţia utilizată pentru încălzire iar în sezonul cald pentru condiţionare.

- apă – aer – folosesc ca sursă apa de suprafaţă sau de adâncime, apa caldă evacuată din industrie, agentul purtător de căldură fiind aerul.

- sol – aer – folosesc ca sursă de caldură solul iar aerul fiind agentul purtător de căldură.

- soare – aer – folosesc ca sursă de căldură energia termică provenită de la soare prin radiaţii iar agentul purtător de căldură este aerul.

- aer – apă – folosesc ca sursă de căldură aer iar agentul purtător de căldură este apa.

- apă – apă – apa fiind atât sursă de căldură cât şi agent purtător de căldură.

- sol – apă – folosesc ca sursă de solul iar agentul purtător de căldură este apa.

- soare – apă – folosesc ca sursă de căldură energia termică provenită de la soare prin radiaţii iar agentul purtător de căldură este apa.

Aerul constituie o sursă de căldură favorabilă şi inepuizabilă. Pentru alegerea unei pompe de căldură ce foloseşte ca sursă de căldură aerul, este necesar a se cunoaste amplasamentul ei, precum şi variaţia anuală a temperaturii exterioare. Coeficientul de performanţă a pompei de căldură variază cu diferenţă de temperatură dintre vaporizator şi condensator şi scade când această diferenţă creşte. Un dezavantaj al pompei de căldură ce foloseşte aerul ca sursă de căldură este acela că sarcina termică a ei depinde de temperatura aerului şi implicit de temperatura de vaporizare. Odată cu scăderea temperaturii aerului exterior, creşte necesarul de căldură şi implicit creşte înălţimea de pompare influenţând negativ coeficientul de performanţă al pompei de căldură.

Utilizarea aerului ca sursă de căldură, mai poate prezenta şi un alt dezavantaj, acesta fiind brumarea (givrarea) vaporizatorului. Prin brumare la temperaturi negative de vaporizare duce la scăderea performanţelor vaporizatorului, adică a puterii lui şi implicit la scăderea sarcinii termice a pompei de căldură. Brumarea vaporizatorului apare la temperaturi ale aerului exterior cuprinse între +50C şi -7°C. Diferenţa optimă între temperatura aerului exterior şi temperatura de vaporizare a agentului frigorific este ∆t = 5K.

Aerul exterior este o sursă de căldură economică pentru zone climatice care nu depăşesc 3000 grade zile, adică zone în care iarna este blândă şi lungă. Ierni blânde şi lungi se afla în ţările din nord-vestul Europei care au o climă continental oceanică.

Apa este cea mai bună sursă de căldură, avându-se în vedere capacitatea sa termică mare şi caracteristicile de transfer ale căldurii foarte bune.

Apa freatică are o temperatură aproximativ egală (sau mai mare cu 1-2K) cu temperatura medie anuală a aerului exterior. Având o temperatură uniformă constituie o sursă de căldură bună şi în timpul iernii. Captarea ei se face în puţuri forate. În general un puţ are o productivitate de 2-5mc/h de apă, ce este suficientă pentru o pompă de căldură ce alimentează 2-5 apartamente. Prelevarea apei din puţ se poate face cu pompe supraterane cu capacitate mare de aspiraţie. Pentru a nu se dezamorsa pompa, la baza conductei de aspiraţie se montează o clapetă de reţinere. După extragerea căldurii din apă, aceasta se introduce din nou în pânză freatică printr-un alt puţ de returnare. Distanţa dintre cele două puţuri terbuie să fie cuprinsă între 15-20 m pentru a nu se realiza comunicarea între ele în pânza de apă freatică, iar puţul de returnare a apei trebuie situat în aval faţă de puţul de preluare în direcţia de curgere a apei freatice.

Dezavantajul utilizarii apei din pânza freatică prin puţuri e acela ca, în timp, acestea

îmbătrânesc. Îmbătrânirea constă în :

- nisiparea - la viteze mari de extracţie a apei, acestea antrenează particule de nisip şi argilă care se depun pe conducte ce poate cauza infundarea puţului de returnare;

- corziunea - conductelor, armăturilor, ridicând probleme importante de întreţinere şi reparaţii;

- colmatarea - reprezintă formarea coarbonaţilor în filtrul de pietriş şi în fantele conductei de aspiraţie aflată în puţul de alimentare a pompei de căldură.Pentru evitarea îmbătrânirii instalaţiei de alimentare cu apă freatică a pompei de căldură

se iau următoarele măsuri:

- părţile din oţel care vin în contact direct cu apa se protejează împotriva coroziunii ; se prevăd filtre pentru împiedicarea depunerilor în instalaţie şi în puţul de returnare;

- înainte şi după vaporizatorul pompei de căldură să se prevadă bazine de liniştire a apei, adică bazine în care să se decanteze impurităţile.Temperatura apei din panza de apa freatica este de 8-12°C.

Avându-se în vedere că temperatura solului este relativ constantă la nivel acceptabil, el reprezintă o sursă de căldură bună.

Factorii cei mai importanţi care caracterizează din punct de vedere solul sunt: conductivitatea termică, densitatea şi căldura specifică.

Conţinutul de umiditate al solului şi densitatea au influenţe determinante asupra proceselor de conducţie a căldurii.

În sol se amplasează schimbătoare de căldură prin care circulă un fluid ce preia căldura de la sol. În timpul funcţionării pompei de căldură apar în sol măriri ale volumului acestuia. Pentru a evita efecte nedorite ale schimbătoarelor de căldură din sol, acestea se pozează într-un strat de nisip.

Din considerente economice adâncimea de pozare a schimbătorului de căldura în sol este de 1,3-1,5m. Cantitatea de căldură ce poate fi preluată anual de la sol este de cca. 30-60 W/mp de supraţata amenajată.

AI doilea mod de realizare a schimbătoarelor de căldură din sol este pozarea lui în conducte verticale. Principiul de funcţionare al acestui tip este realizat cu conducte ţeava în ţeava sau alăturate amplasate în sol vertical sau oblice cu o înclinaţie până la 60°.

Adâncimea maximă până la care se merge cu aceste sonde ce constituie schimbătorul de căldură este de 150-250 m.

Utilizarea solului ca sursă de căldură prezintă avantaje faţă de alte surse naturale deoarece sursa este independentă de necesarul de căldură şi nu are capacitatea minimă la mijlocul iernii, aşa cum au celelalte surse naturale.

Funcţionarea pompelor de căldură are la bază principiul al doilea al termodinamicii care afirmă că, căldura nu trece, de la sine, de la un mediu cu o temperatură mai scăzută la un mediu cu o temperatură mai ridicată. Pentru a face posibilă trecerea căldurii de la un mediu cu temperatură mai scăzută la un mediu cu o temperatură mai ridicată este nevoie de un consum de lucru mecanic.

Prin utilizarea unei instalaţii termice sub forma unei pompe de căldură se face posibilă preluarea energiei termice solare, înmagazinată sub formă de căldură, din apă sol sau aer şi folosirea ei pentru încălzirea locuinţelor. Toate aceste surse de căldură, mai sus menţionate, reprezintă un acumulator al energiei solare, astfel încât utilizând aceste surse se utilizează, de fapt, indirect, energia solară. Pentru mediul din care se extrage căldura, apa, solul sau aerul, se foloseşte denumirea de mediu răcit, sau sursă caldă. Mediul în care se valorifică căldura este denumit mediu încălzit sau sursă rece. În componenţa unei pompe de căldură se regăsesc în mod obligatoriu următoarele aparate: un compresor, un vaporizator, un condensator şi un ventil de laminare, fără acestea instalaţia nu ar putea funcţiona. Pe lângă aceste aparate mai pot exista şi altele În funcţie de specificul instalaţi ei, dar acestea vor fi regăsite În orice instalaţie termică sub formă de pompă de căldură. Alte componente care mai pot fi regăsite într-o pompă de căldură sunt schimbătoarele de căldură intermediare a căror importanţă le face să fie folosite frecvent, precum şi elementele de automatizare care realizează o creştere a randamentului instalaţiei precum şi o uşurinţă mare în utilizare.

Elementul esenţial în procesul de captare şi cedare a energiei este agentul termic din circuitul interior al pompei de căldură. Acesta are proprietatea de a trece din stare lichidă în satre de vapori reci la temperaturi scăzute.

În interiorul unei pompe de căldură agentul termic suferă patru transformări ale stării termodinamice. Cele patru faze ale procesului de transfer termic care are loc în interiorul pompei de căldură se desfăşoară astfel. Agentul termic lichid la aflat la o temperatură mai scăzută decât cea a mediului răcit intră în vaporizator unde se produce transferul de căldură de la sursa caldă la agentul termic. La ieşirea din vaporizator agentul termic este în stare de vapori

reci. Vaporii reci de agent termic intră în compresor unde, cu ajutorul energiei electrice, se produce creşterea de presiune şi temperatură a acestora. La ieşirea din compresor vaporii calzi de agent termic vor avea o temperatură mai mare decât cea a mediului încălzit. Vaporii calzi de agent termic intră în condensator unde se produce transferul de căldură de la vaporii calzi la apa din circuitul închis al sistemului de încălzire al casei. La ieşirea din condensator, în urma cedării căldurii, agentul termic este în stare lichidă cu o temperatură şi o presiune mai mare decât cea a mediului răcit. Agentul termic, lichid intră în ventilul de laminare, unde temperatura şi presiunea acestuia scade până la o valoare inferioară celei din mediul răcit. Din acest moment ciclul se reia.

În figură este prezentată diagrama cu temperaturile în sol la diferite adâncimi în funcţie de lunile anului. În aplicaţiile casnice de încalzire, se utilizează energia geotermală de la suprafaţa Pământului, disponibilă la temperaturi scăzute şi variabile.

Pompa de căldură este caracterizată prin faptul că temperatura de vaporizare T (T) este egală cu temperatura mediului ambiant T (Ta=T0v = Ta0v), iar temperatura de condensare T este egală cu temperatura mediului încălzit T (Tc= Tkck).

Agenţii termodinamici de lucru din pompele de căldură preiau căldura prin vaporizator şi cedează căldura prin condensare, la temperaturi scăzute sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să aibă unele proprietăţi particulare, care îi deosebesc de agenţii termodinamici din alte tipuri de instalaţii, din acest motiv poartă denumirea de agenţi frigorifici.

Proprietăţile agenţilor frigorifici :

-presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică şi uşor superioară acesteia, pentru a nu apare vid în instalaţie;

-presiunea de condensare trebuie să fie redusă, pentru a nu apare pierderi de agent

frigorific şi pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de comprimare impuse;

-căldura sa nu fie poluantă;

-să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie şi toxicitate.

Agenţii frigorifici se pot împarţi în trei mari categorii:

-CFC (clorofluorocarburi), freoni clasici, care conţin CIor foarte instabil în molecula;

-HCFC (hidroclorofluorocarburi), freoni denumiţi de tranziţie, care conţin în molecula şi

hidrogen, iar Clorul este mult mai stabil şi nu se descompune atât de usor sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete;

-HFC (hidrofluorocarburi), consideraţi freoni de substitutie definitivă, care nu conţin de loc în moleculă atomi de CIor.

Cei mai utilizati in ultimul timp sunt R134a si R407C, aceste tipuri de freoni sunt considerati definitivi deoarece sunt ecologici, nu conţin în molecula atomi de clor.

Funcţionarea unei pompe de căldură.

A - Căldură ecologică

B - Compresor

C - Turul circuitului de încălzire

D - Returul circuitului de încălzire

E - Condensator

F - Ventil de laminarea (destindere)

G - Vaporizator

În vaporizator se află agent de lucru la presiune redusă. Nivelul de temperatură al căldurii ecologice din vaporizator este mai ridicat de cât domeniul de temperaturi de fierbere corespunzător presiunii agentului de lucru. Această diferenţă de temperatură conduce la transmiterea căldurii ecologice asupra agentului de lucru, iar agentul de lucru fierbe şi vaporizează. Căldura necesară se preia de la sursa de căldură (sol, aer, apă).

Vaporii rezultaţi din agentul de lucru sunt aspiraţi continuu din vaporizator de compresor şi sunt comprimaţi, astfel în timpul comprimării cresc presiunea şi temperatura vaporilor.

Temperatura de lucru a agentului termic din instalaţia de încălzire este mai redusă decât temperatura de condensare a agentului de lucru din pompa de căldură, astfel încât vaporii se răcesc şi se lichefiază (condensează) din nou.

Energia (căldura) preluată în vaporizator suplimentar, energia electrică transferată prin comprimare, se eliberează în condensator prin condensare şi se transferă agentului termic.

În continuare se recirculă agentul de lucru prin intermediul unui ventil de laminare în

vaporizator. Agentul de lucru trece de la presiune ridicată a condensatorului la presiunea redusă a vaporizatorului. La intrarea în vaporizator se atinge din nou presiunea şi temperatura iniţială. Circuitul este inchis.

Condensarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific îşi schimbă starea de agregare din vapori în lichid, cedând căldură sursei calde, reprezentate de aerul sau apa de răcire a condensatorului. Condensarea realizează efectul util în pompele de căldură. Uneori răcirea condensatorului este realizată mixt, de aer şi apă împreună . De regulă, în cazul răcirii cu aer, condensarea se realizează în interiorul ţevilor, în aparate construite din serpentine, iar în cazul răcirii cu apă, condensarea se realizeaza în spaţiul dintre un fascicul de ţevi şi manta, în aparate de construcţie multitubulara, cel mai adesea orizontale.

Laminarea este procesul care se realizeaza când agentul frigorific lichid trece printr-o secţiune îngustată , datorită căreia se modifică presiunea fluidului, de la valoarea presiunii de condensare pk a lichidului obţinut în condensator, până la valoarea presiunii de vaporizare p0 a agentului care urmează să ajungă în vaporizator. Acest proces se realizează în ventilul de laminare, care din punct de vedere constructiv se aseamănă cu un robinet, sau o diafragmă având orificiul de curgere calibrat. Laminarea este considerata adiabatica, deoarece se desfaşoară fără interacţiuni termice cu mediul ambiant. Având în vedere că în timpul realizării acestui proces termodinamic, nu se manifestă nici interacţiuni sub formă de lucru mecanic, se poate considera că entalpia rămâne constantă.

Vaporizarea este procesul termodinamic prin care agentul frigorific îşi schimbă starea de agregare din lichid în vapori, absorbind căldura de la sursa rece, reprezentată de mediul răcit (aerul sau un agent termic lichid). În vaporizator, este realizat efectul util al instalaţiilor frigorifice. De regulă, vaporizarea este realizată în interiorul ţevilor, în aparate construite din serpentine, destinate răcirii aerului sau răcirii lichidelor, respectiv în spaţiul dintre un fascicul de ţevi şi manta, în aparate de construcţie multitubulară, cel mai adesea orizontale, destinate răcirii lichidelor. Se observă că răcirea aerului, sau eventual a altor gaze, poate fi realizată numai prin vaporizarea agentului frigorific în interiorul ţevilor, iar răcirea lichidelor poate fi realizată atât prin vaporizarea agentului frigorific în interiorul ţevilor, cât şi prin vaporizarea acestuia între ţevi şi manta. Dacă în timpul vaporizării agentului frigorific în spaţiul dintre ţevi şi manta, prin interiorul ţevilor circulă apă, aceasta poate fi răcita cel mult pâna în apropierea temperaturii de 0°C, pentru evitarea îngheţării la interiorul ţevilor. Formarea gheţii în procesele de răcire a apei, este

permisă numai la exteriorul ţevilor, în bazine prevăzute cu serpentine în care vaporizează agentul frigorific. Dacă se doreşte răcirea lichidelor la temperaturi negative, vor trebui utilizate alte substanţe în locul apei. De obicei se utilizează soluţii apoase de tip antigel, sau saramuri, toate având temperaturi de solidificare negative. În tehnica frigului, aceste substanţe sunt denumite generic agenţi frigorifici intermediari.

Comprimarea este procesul de mărire a presiunii vaporilor de la nivelul presiunii din vaporizator p0, până la nivelul presiunii din condensator pk. De fapt, vaporizatorul şi condensatorul asigură interfaţa cu mediul răcit respectiv mediul ambiant, iar compresorul asigură condiţiile de lucru ale condensatorului, aducând agentul frigorific, la presiunea necesară realizării procesului de condensare. Asemănător, dispozitivul de laminare asigură condiţiile de lucru ale vaporizatorului, aducând agentul frigorific la presiunea necesara realizarii procesului de vaporizare. Datorită duratei scurte în care se realizează procesul, într-o primă aproximaţie se poate considera că agentul frigorific nu schimbă căldura nici cu părţile componente ale compresorului şi nici cu mediul ambiant, deci comprimarea este adiabatică. În realitate, aspiraţia vaporilor de agent frigorific în cilindrii şi prima parte a procesului de comprimare, sunt caracterizate de încălzirea vaporilor, deoarece aceştia preiau caldură de la pereţii cilindrilor, iar ultima parte a procesului de comprimare, respectiv refularea sunt caracterizate de răcirea vaporilor, deoarece aceştia cedează căldura pereţilor cilindrilor. Pe lângă aceste interacţiuni termice, care reprezintă ireversibilităţi externe şi în ansamblu contribuie la creşterea globală a entropiei în procesul de comprimare, există şi ireversibilităţi interne. Datorită tuturor acestor ireversibilităţi, în procesul real de comprimare, entropia creşte. Câteva exemple de ireversibilităţi interne sunt reprezentate de frecările dintre starturile de agent frigorific, frecările dintre straturile de agent şi pereţii cilindrilor, respectiv frecările dintre agent şi pistoane, turbionări şi omogenizări care se produc în timpul comprimării, etc.