آنچه باید از پمپ حرارتی بدانیم

تاسیسات نیوز/ ترجمه/ نیره شمشیری:  در این مقاله سعی کرده ایم تا آنچه که باید از پمپ حرارتی بدانیم به اختصار بیان کنیم.

شکل ۱٫ شیر برگشت چهارراهه

شکل ۲٫ شیر برگشت در حالت سرمایش

شکل ۳٫ شیر برگشت در حالت گرمایش

آیا می دانید اصطلاح «پمپ حرارتی» از کجا می آید؟ اختراع پمپ حرارتی توسط روبرت وبر آمریکایی ثبت شده و ابداع مفهوم پمپ حرارتی کاملا تصادفی بوده است. در اواخر ۱۹۴۰، وبر در حال آزمایش با روش انجماد عمیق خود بود که به صورت اتفاقی «لوله های خروجی سیستم سرمایش» را لمس کرد و دستش سوخت. شما هم می توانید حباب چراغ را در ذهن خود مجسم کنید.

وبر تصمیم گرفت ببیند آیا مکانیک می تواند برعکس شود یا نه. اصلاحات کوچکی روی دستگاه فریزر عمیق انجام داد؛ یعنی لوله خروجی از فریزر را به یک ابگرمکن وصل کرد؛از آنجایی که فریزر یک گرمای اضافی ثابتی تولید می کند، آب گرم شده را به یک حلقه لوله کشی وصل کرد. یک فن کوچک برای انتقال گرما از اب گرم به هوا استفاده شد و این گونه بود که پمپ حرارتی متولد شد.

براساس قانون دم ترمودینامیک، گرما همیشه از جای گرم تر به محل سردتر می رود. وبر این را به صورت «پمپ کردن» گرما از منطقه گرم تر به سردتر دید و از این رو اصطلاح پمپ حرارتی را به کار برد.

بعد از اینکه او این نوآوری را موفق دید، یک پمپ حرارتی در اندازه کامل ساخت تا گرما را برای کل خانه اش تامین کند. طرح او از لوله های مسی مدفون در زمین استفاده می کرد که مبرد از آن طریق برای جمع کردن گرمای زمین در آنها جاری می شد. گاز در زیرزمین خانه او متراکم شد و گرما را برای کل خانه تامین کرد.

با استفاده از ایده اولیه وبر و به کارگیری آن برای یک دستگاه تهویه مطبوع معمول – با اضافه کردن چندین اصلاح – شما پمپ حرارتی تجاری/مسکونی مدرن دارید.

با توجه به قانون دوم ترمودینامیک، فرآیند دمیدن هوای گرم در یک کویل لوله-فین، با یک سیال سرد (مبرد) که در لوله ها جریان دارد، منجر به انتقال گرما از هوا به سیال می شود. این کار دمای هوا در فضای تهویه شده را کاهش می دهد و نتیجه چیزی است که ما به عنوان «سرمایش» می شناسیم.

هدف چرخه تراکم بخار که در سیستم تهویه مطبوع/تبرید استفاده می شود، تامین یک منبع مداوم مبرد مایع سرد برای یک کویل لوله-فین (اواپراتور) است که منجر به توانایی مداوم انتقال گرما از فضای خنک شده می شود.

مرور اساسی چرخه به این شکل است:

1. بخار مبرد سوپرهیت در فشار کم، حاوی گرمای فضای تبریدی، از اواپراتور به کمپرسور جاری می شود.

2. کمپرسور بخار را در یک بخار فشار بالا متراکم می کند.

3. فرآیند تراکم گرما را به بخار مبرد اضافه می کند که سبب خروج بخار فشار و دمای بالا (سوپرهیت) از کمپرسور می شود.

4. بخار مبرد سوپرهیت از کمپرسور خارج شده و به کویل فین-لوله (کندانسور) جاری می شود. هوا در کندانسور جاری می شود که محتوای گرمای بخار را به هوا منتقل می کند.

5. دمای بخار فشاربالای سوپرهیت کم شده و تغییر فاز به مایع گرم را تجربه می کند.

6. سیالات گرم به وسیله انبساط جریان می یابد و دچار افت فشار می شود. این کار دمای آن را تا دمای اشباع کاهش می دهد که به فشار مایع کمتر جدید مربوط می شود.

7. این مایع اشباع فشار و دمای کم از طریق یک کویل فین-لوله (اواپراتور) واقع در فضای تبریدی جاری می شود. هوا در فضای تبریدی به مبرد مایع منتقل می شود که سبب تغییر حالت به بخار می شود. همه مایع باید قبل از خروج از لوله اواپراتور به بخار تبدیل شود، در نتیجه بخار خنک به ورودی کمپرسور جاری می شود.

چرخه گرما را از فضای تبریدی به مبرد منتقل می کند. برای اینکه چرخه تراکم بخار یک چرخه تکراری بی پایان باشد، گرما از فضای تهویه شده باید از مبرد منتقل شود. این در کندانسور واقع در فضایی که دما مهم نیست (بیرون) رخ می دهد. بعد مبرد می تواند چرخه را شروع کند تا برای انتقال گرما از فضای تبریدی منتقل شود.

یک سیستم تهویه مطبوع استاندارد گرما را از فضای تهویه شده می گیرد و دمای فضا را کاهش می دهد. این گرما به مبرد منتقل می شود و به همراه گرمای اضافه شده به مبرد در فرایند تراکم، از طریق کندانسور به هوای بیرون منتقل می شود.

پمپ حرارتی همچنین گرما را از فضای تهویه شده منتقل می کند، اما در یک پمپ حرارتی، فضای تهویه شده بیرون است. پس اواپراتور حالا بیرون قرار می گیرد. گرمای منتقل شده به مبرد در این فرایند، به اضافه گرمایی که در فرآیند تراکم به مبرد منتقل شده از طریق کندانسور به هوای فضای تهویه شده منتقل می شود.

بنابراین پمپ حرارتی چیزی بیشتر از سیکل اصلی تراکم بخار که در یک سیستم تهویه مطبوع استفاده می شود نیست و فقط کنترل ها و شیرهایی برای حذف گرما از فضای تهویه شده (و انتقال ان به بیرون) یا حذف گرما از بیرون (و انتقال آن به فضای تهویه شده) به آن اضافه شده است.

همین طور به جای یک اواپراتور و کندانسور مجزا، اینجا ما کویل های دومنظوره داریم: یک کویل داخلی و یک کویل بیرونی.

همان فرایند تراکم بخار اتفاق می افتد اما جای اواپراتور و کندانسور عوض شده است. ما گرما را از بیرون می گیریم و آن را به فضای داخل منتقل می کنیم.

وقتی فضای تهویه شده نیازمند سرمایش است، کویل داخلی به عنوان اواپراتور و کویل بیرونی به عنوان کندانسور عمل می کند  و وقتی فضای تهویه شده نیازمند گرمایش باشد، جریان مبرد عکس می شود و اجازه تخلیه از کمپرسور به کویل داخل را می دهد. عکس شدن جریان مبرد توسط شیر برگشت چهارراهه انجام می شود (شکل ۱).

شیر برگشت در خط تخلیه بین ورودی کویل بیرونی و خروجی کمپرسور قرار دارد. یک کویل سلنوییدی، در زمانی که انرژی دار است، اجازه می دهد شیر از یک موقعیت به موقعیت دیگر برود.

در حالت بدون انرژی، مبرد از ورودی تخلیه کمپرسور به ورودی کویل بیرون جاری می شود. دو پورت دیگر اجازه می دهد بخار مبرد از کویل داخل به پورت مکش کمپرسور جاری شود (شکل ۲).

وقتی دما در فضای تهویه شده زیر کمترین دمای گرمایش تنظیم شده ترموستات بیافتد، سبب ترتیب وقایع زیر رخ دهد:

1. با ترموستات تنظیم شده در حالت گرمایش، شیر برگشت انرژی دار می شود.

2. ترمینال Y روی ترموستات برق کنتاکتور کمپرسور را تامین می کند و کمپرسور و فن بیرونی به راه می افتد.

3. ترمینال G روی ترموستات برق، موتور دمنده کویل داخل را تامین می کند و موتور را به راه می اندازد.

4. حالا دستگاه در حالت گرمایش است؛ جریان مبرد در شیر برگشت در شکل ۳ نشان داده می شود.

ادامه دارد …