Pompe de căldură

Cum putem transforma căldura în lucrul mecanic? Cum putem extrage căldura din frig şi să folosim această căldură pentru propriile noastre scopuri? Răspunsurile la aceste întrebări şi la alte întrebări similare imperioase pot fi găsite în spatele termenului "motoare termice". Astăzi, nu ne mai putem imagina viaţa fără motoarele termice de tot felul. Dimineaţa mergem cu maşina sau cu autobuzul la locul de muncă sau la şcoală, deschidem frigiderul pentru a pregăti masa de prânz; şi pentru a ne simţi mai confortabil ne răcim camerele cu ajutorul aerului condiţionat sau le folosim pentru a încălzi aceste camere. Dar cum funcţionează aceste motoare termice?

Putem înţelege mai bine acest proces prin observarea elementelor de bază ale fizicii. Fără a deveni prea (dureros) tehnic, legea energiei spune că energia unui obiect se poate modifica doar prin intrarea (sau ieşirea) lucrului mecanic şi/sau a căldurii. Lucrul mecanic este procesul prin care energia este transferată de la un obiect la altul prin intermediul forţelor. Condiţia necesară pentru ca acest proces să aibă loc este aceea ca punctul de aplicare al forţei cu care un obiect efectuează lucrul mecanic se deplasează, cel puţin într-o anumită măsură, în direcţia mişcării obiectului a cărui energie este modificată.

Şi căldura este tot un proces, având o importanţă egală cu cea a lucrului mecanic, dar diferenţa este aceea potrivit căreia căldura este energia transferată de la un obiect la altul din cauza diferenţei de temperatură dintre ele. Căldura este întotdeauna transferată de la un obiect cu temperatură mai ridicată la un obiect cu temperatură mai mică.

Lucrul mecanic şi căldura sunt procese de transfer de energie între obiecte. Energia transferată prin efectuarea lucrului mecanic se datorează forţelor dintre obiecte, în vreme ce căldura este energia transferată ca urmare a diferenţei de temperatură dintre obiecte.

În ceea ce priveşte energia, aceasta este o proprietate a obiectelor. Chiar dacă nu poate fi măsurată direct, energia poate fi calculată pe baza diferitelor caracteristici ale unui obiect (masă, viteză, poziţie, temperatură, sarcină etc.). De multe ori întâlnim explicaţii care susţin ideea că energia este capacitatea unui obiect de a efectua lucrul mecanic. Cu toate acestea, o serie de reviste de specialitate au demonstrat că în anumite condiţii, un obiect care are energie poate emite căldură.

Anumite forme de energie se pot trece cu uşurinţă de la o formă la alta, de exemplu, atunci când o minge cade, energia potenţială se transformă în energie cinetică. Pe de altă parte, energia internă a organismelor, care este strâns legată de temperatură, poate fi transformată numai în energie cinetică cu un efort mult mai mare. Acest lucru se realizează prin motoare termice. Spre deosebire de utilajele mecanice, precum morile de vânt care transformă o formă de energie mecanică într-o altă formă de energie, motoarele termice folosesc un alt mod de operare, care necesită o alimentare constantă cu energie.

În conformitate cu legile de bază ale fizicii, căldura circulă întotdeauna din regiunile cu temperatură ridicată în regiunile cu temperatură scăzută. Chiar şi manualele explică frecvent fluxul de căldură de la temperaturi mici la cele mari, în următorii termeni: energia sub formă de lucru mecanic (A) trebuie să fie adăugată pentru a determina căldura să circule dintr-o regiune cu temperatură scăzută (TS) într-o regiune cu temperatură ridicată (TR).

Dacă aruncăm o privire mai atentă la modul în care funcţionează un frigider, în interiorul frigiderului sau a lucrurilor din interiorul acestuia pe care dorim să le răcim, acesta reprezintă sursa de căldură care circulă în frigider. Temperatura din interiorul frigiderului este mai mică decât temperatura din bucătărie. Frigiderul emite căldură prin peretele din spate, a cărui temperatură este mai mare decât temperatura bucătăriei. Doar încercaţi să atingeţi din când în când peretele din spate al frigiderului dvs. Practic, frigiderul funcţionează pe următorul principiu: dacă amplificaţi nivelul gazului, se răceşte. Persoanele cărora le place camping-ul şi au gătit cu gaze ştiu acest lucru. Atunci când gătiţi pe o sobă cu gaz, gazul expandat din butelie scapă prin duze. Butelia de gaz rămâne rece în timpul preparării mâncărurilor şi de multe ori se va forma condens la exterior, chiar şi într-o zi fierbinte.

Un alt exemplu este deschiderea unei sticle cu apă minerală. Gazul aflat deasupra lichidului acidulat este comprimat, iar sticla de plasticeste, de obicei, foarte grea, dar atunci când este deschisă, aceasta face "poc", deoarece în acea clipă gazul aflat deasupra lichidului se extinde dincolo de sticlă. În acelaşi timp, gazul se răceşte şi foarte des se face condens în interiorul sticlei, ceea ce înseamnă că gazul s-a răcit. Acesta este modul în care frigiderul se răceşte. Dar numai când este conectat la electricitate. Electricitatea activează pompa care expandează gazul special în sistem pe peretele din spatele frigiderului. Gazul se răceşte prin expansiune, aducând temperatura din frigider la 0°C şi chiar la -30°C în
congelator. Acest gaz răcit circulă pe lângă peretele din spatele frigiderului, răcindu-l la o temperatură mai mică decât cea a produselor alimentare
care sunt răcite în frigider.

Carnea şi legumele, a căror temperatură este mai mare decât cea a peretelui din spatele frigiderului, emit căldură spre peretele din spate. Prin urmare, căldura încă circulă dintr-o regiune cu temperatură ridicată spre o regiune cu temperatură scăzută. Legile naturii nu lasă loc
pentru excepţii. Atunci când gazul din interiorul peretelui, din spatele frigiderului se încălzeşte, acesta intră într-o altă pompă, care îl comprimă.

Ce se întâmplă atunci când gazul este comprimat? Ştim că o pompă de bicicletă devine fierbinte când umflăm un pneu. În cazul nostru, lucrurile stau astfel: gazul, care a fost foarte rece, atunci când a fost direcţionat spre peretele din spate, din interiorul frigiderului, şi a primit căldură de la alimentele depozitate, se comprimă în pompă. Prin urmare, temperatura acestuia creşte cu aproximativ 10-20 de grade peste temperatura camerei. Acum, gazele continuăsă treacă prin conductele situate pe partea exterioară a peretelui din spatele frigiderului şi căldura anterior absorbită de produsele alimentare este emisă în compartimentul ventilatorului. Pe toată această durată, căldura circulă din regiunile cu temperatură ridicată în cele cu temperatură scăzută. Cu toate acestea, pentru a răci alimentele, am adăugat o componentă specială - gazul, care a fost expandat şi comprimat în conformitate cu nevoile noastre, funcţionând ca receptor şi emiţător de căldură. Pentru a funcţiona, ambele pompe trebuiau conectate la energie electrică.

Introduceţi pompa de căldură. Funcţionarea unei pompe de căldură poate fi explicată în termeni similari. Numai în cazul pompelor de căldură vorbim, de fapt, despre procesul invers. Prin extragerea de căldură din mediul ambiant, pompa, cu ajutorul compresorului, schimbă această căldură în energie termică utilă care poate fi apoi folosită la încălzire şi chiar la răcire.

Încă o dată, nu există excepţii de la regula conform căreia căldura circulă întotdeauna dinspre regiunile cu temperatură ridicată înspre regiunile cu
temperatură scăzută. Prin urmare, pompa de căldură pompează temperatura exterioară mare (a apei, a solului sau a aerului) în vaporizatorul care conţine un agent frigorific lichid sau aşa-numitul lichid de lucru, care, în aceste condiţii, devine în mod firesc gazificat.  Lichidul de lucru sau agentul frigorific gazificat, astfel, trece prin compresor în cazul în care temperatura sa creşte (amintiţi-vă de pompa de bicicletă - temperatura creşte când comprimaţi gazul). Aceşti vapori se condensează în condensator, emiţând căldură de condensare spre agentul termic folosit la încălzirea camerelor noastre. Pentru a fi capabil să absoarbă căldura din aer, sol sau apa subterană, acest lichid de lucru trece printr-o valvă de expansiune, ceea ce face ca gazul să se extindă şi, astfel, să se răcească (vă reamintiţi exemplul buteliei de gaz sau al băuturilor acidulate în sticle de plastic). Condiţiile necesare procesului au fost astfel restaurate.

Legendă:

• Evaporator unit – unitate vaporizator
• Expansion valve – ventil de expansiune
• Compressor unit – unitate compresor
• Input electrical power – putere electrică de intrare
• Condenser unit – unitate condensator

În timp ce pentru unii sunt noutate, pompele de căldură nu reprezintă o noutate pentru Gorenje. În calitate de producător renumit de aparate electrocasnice şi una dintre societăţile deschise spre inovaţie şi dezvoltare din această parte a Europei, Gorenje fabrică pompe de căldură sanitare din 1980. În acei ani, criza de energie a fost puternic resimţită, iar noi am devenit extrem de conştienţi de penuria de combustibili fosili. Astăzi, această problemă este abordată aproape în fiecare zi - cu siguranţă de către orice persoană care construieşte o casă nouă sau care restaurează şi renovează una deja existentă.

Preţurile la combustibil în continuă creştere, alături de progresele tehnologiei pompelor de căldură (coeficient îmbunătăţit de performanţă) le-au făcut o alegere justificată şi raţională. De asemenea, creşterea gradului de conştientizare a mediului a jucat un rol important. Prin urmare, Gorenje a lansat distribuţia, planificarea şi vânzarea pompelor de căldură de către faimosul producător german Dimplex cu mai mult de un deceniu înainte, care s-au dovedit durabile şi de încredere.

De asemenea, Gorenje este cunoscut de ani de zile ca furnizorul şi producătorul de pompe de căldură sanitare care contribuie considerabil la realizarea de economii la domiciliu. Prin folosirea cunoştinţelor şi a tehnologiei, diversele departamente şi experţii Gorenje s-au implicat activ în promovarea unei conştientizări generale a avantajelor principiului pompei de căldură. Cele mai multe prezentări au fost făcute în ţările din fosta Iugoslavie, unde s-a deschis o nouă piaţă pentru noi. În alte ţări europene avansate, în special în Scandinavia, pompele de căldură au fost mult timp bine stabilite şi utilizate pe scară largă. În timp ce ele sunt standard în ţările scandinave şi în alte ţări europene timp de zeci de ani, pompele de căldură îşi fac loc treptat şi în casele din sud-estul Europei.

Aspectele particulare ale proceselor de dezvoltare în refrigerare şi tehnologia pompelor de căldură coincid. În acest fel, Gorenje, unul dintre liderii de piaţă în aparate mari, a fost capabil să se bazeze pe 60 de ani de tradiţie şi experienţă în dezvoltarea tehnologiei de refrigerare.

"Am apelat la cunoştinţele şi la priceperea experţilor noştri care au fost implicaţi de ani de zile în dezvoltarea unor produse noi pentru marca Gorenje", ne transmite domnul Darko Gorjup, şef Gorenje NES, Sisteme avansate de energie. "Am creat o piesă de măsurare de ultimă oră care permite testarea în conformitate cu standardele europene EN14511 pentru pompe de căldură pentru încălzire, şi EN 255/3 pentru pompe de căldură sanitare.

Această piesă de măsurare pentru pompele de căldură este destinată testării şi măsurării atât capacităţii pompei de căldură, cât şi a altor caracteristici.

Un compartiment suplimentar este disponibil pentru testare, oferind condiţii standard de testare a pompelor de căldură aer-apă cu o capacitate de până la 30 kW, precum şi pentru testarea pompelor de căldură pentru apă sanitară. O unitate de răcire cu o capacitate de ieşire de 100kW este folosită pentru a simula sursele şi sarcinile, combinate cu apa din sistemul de încălzire al clădirii. Laboratorul de măsurare este proiectat în conformitate cu toate regulamentele şi standardele în vigoare.

Schimbul de energie de la un nivel de temperatură mai mic la unul mai mare, impune implicarea lucrului mecanic. Prin urmare, energia electrică activează compresorul care strânge vaporii şi îi ridică la o temperatură mai mare.

Raportul dintre intrările lucrului mecanic (energie electrică) şi producţia ulterioară de energie termică este numit Coeficient de Performanţă. Valorile tipice variază de la 3 la 5, ceea ce înseamnă că o unitate a randamentelor consumului de energie (energie electrică) mai mult de 3 - 5 unităţi
de energie termică. Cu cât este mai mare coeficientul de performanţă, cu atât şi eficienţa energetică a pompei de căldură este mai mare.
 
După cum puteţi observa în acest grafic, comparativ cu alte sisteme de încălzire, pompele de căldură sunt foarte economice, deoarece utilizează de trei ori mai puţină energie primară decât, de exemplu, arzătoarele pe gaz sau ulei.

Pompele de căldură apă-apă sunt printre cele mai eficiente sisteme de încălzire disponibile. Căldura din apele subterane este o sursă de energie extrem de fiabilă şi constantă, cu o temperatură cuprinsă între +7°C şi +18 ° C.

Pompele de căldură sol/apă folosesc energia acumulată în pământ. Energia este extrasă din sol prin intermediul unui colector instalat pe o suprafaţă corespunzător de mare.

Pompele de căldură aer-apă folosesc energia stocată în aerul din jurul nostru. Funcţionează eficient chiar şi la temperaturi de până la -20°C. Comparativ cu alte versiuni, sunt necesare puţine lucrări de construcţie, iar echipamentele pot fi instalate rapid. Pompa de căldură aer-apă se compune dintr-o unitate interioară şi una exterioară. Sunt disponibile trei variante: panoul de faţadă, foi de metal, şi lemn.