Dizalice toplote i njihov istorijat – I DEO

Iako je ubrzan porast primene dizalica toplote započeo sedamdesetih godina prošlog veka, princip njihovog rada poznat je od početka 19. veka. 1832. godine francuski fizičar Carnot opisao je kružni proces koji je prema njemu nazvan i koji predstavlja teorijsku osnovu za rad današnjih rashladnih uređaja i dizalica toplote. Godine 1835. američki fizičar i naučnik Perkins prijavio je patent za rashladnu parnu mašinu koja je za radnu materiju koristila dietileter, a 1851. irski fizičar Thompson poznatiji kao lord Kelvin, otkrio je mogućnost povišenja temperature neke materije dovođenjem energije i opisao mehanički sistem za grejanje i hlađenje zgrada. Godine 1856. austrijski inženjer Rittinger napravio je rashladnu mašinu za snabdevanje toplotom procesa u pogonu za proizvodnju soli, odnosno za isparavanje rasoline, dok je 1877. nemački naučnik Gottfried Von Linde konstruisao prvi kompresioni rashladni uređaj koji je kao radnu materiju koristio amonijak.

Izraz „toplotna pumpa“ (eng. heat pump) za dizalicu toplote stvoren je u dvadesetim godinama prošlog veka, kada su u SAD-u, Velikoj Britaniji napravljeni prvi sistemi grejanja koji su ih koristili kao izvor toplote. Godine 1938. dizalica toplote voda-voda ugrađena je u sistem grejanja većnice kantona Cirih. Kao toplotni izvor korišćena je voda reke Limmat, a dve godine kasnije dizalicu toplote za grejanje počelo je koristiti javno kupalište Cirih.

U godinama nakon drugog svetskog rata ponovo počinje veća primena dizalica toplote, prvo u SAD, gde su korišćene za grejanje i hlađenje prostorija, a šezdesetih se godina njihova primena vraća u Evropu. Kao što je rečeno, veliko povećanje njihove primene počelo je u vreme prve velike naftne krize, sedamdesetih godina, kada su mnogi proizvođači opreme za grejanje širom sveta tražili rešenje za zamenu fosilnih goriva drugim izvorima, a jedna od njih bila je upotreba otpadne, odnosno toplote iz okoline pomoću dizalica toplote. Tadašnja tehnička rešenja i izvedba dizalica toplote nisu dala očekivane rezultate s obzriom na efikasnost, pa su nakon što je kriza završena zaboravljene.

// Početkom devedesetih godina, sa porastom standarda stanovanja razvijenih zemalja raste i ekološka svest, ali istovremeno dolazi do povišenja cene energenata, pa se ponovno pojavljuje interes za korišćenje dizalica toplote. U 1995. godini u celom svetu je ugrađeno oko 60 miliona dizalica toplote.

Zahvaljujući razvoju novih tehnologija i novim tehničkim rešenjima koja su omogućila povećanje efikasnosti, smanjenje dimenzija i mase, i primena dizalica toplote, u prvih dvadeset godina 21. veka sve je veća, pa se može očekivati da će se u bliskoj budućnosti koristiti kao osnovni izvor toplote u većini niskotemperaturnih sistema grejanja.

Postoji nekoliko razloga za njihovu primenu. Na prvom mestu je smanjenje potrošnje fosilnih goriva čija cena stalno raste, a njihovo sagorevanje je jedan od većih uzročnika emisija.

//Treba napomenuti da je na osnovu ispitivanja i merenja na dizalicama toplote dokazano da je njihova potrošnja primarne energije manja nego kod gasnih ili uljnih kondenzacionih kotlova, koji se danas smatraju za najsavremenija rešenja za izvore toplote sistema grejanja na fosilna goriva.

Istovremeno je ukupna emisija CO2 (posmatrajući celi vek trajanja nekog uređaja, od njegove proizvodnje do upotrebe, u poređenju sa kotlovima na fosilna goriva, manja).

Kompresione dizalice toplote

Osnovne karakteristike kompresionih dizalica toplote

Kompresione dizalice toplote za povišenje energetskog nivoa (temperature i pritiska) radne materije, odnosno za realizaciju kružnog procesa koriste mehanički rad kompresora. Od svih konstrukcija s obzirom na izvor dodatne energije za ostvarivanje kružnog procesa, u primeni su najčešće kompresione.

Sastoje se od sledećih osnovnih delova:
• isparivača
• kompresora
• kondenzatora
• ekspanzionog ventila

Slika 2 Prikaz stvarnog procesa u kompresijskoj dizalici toplote u logp-h i T-S dijagramima

Uz prethodno navedene elemente tu su i spojni vodovi koji povezuju ta četiri osnovna elementa, regulacioni i pomoćni elementi i radna materija.

U većini slučajeva nalaze se u zajedničkom kućištu i čine jedinstvenu celinu. Da bi dizalica toplote mogla raditi u sistemu grejanja pripreme PTV-a, ventilacije i klimatizacije, potrebni su spojevi za dovod posrednog medija, razvod ogrevnog medija, električna mreža i sistem automatske regulacije i sl.

// Spajanje sa sistemom grejanja izvodi se zavisno od ogrevnog medijuma. Ako je to voda za toplovodne sisteme grejanja i sistema za pripremu PTV-a, spajanje se izvodi kao i za bilo koji drugi konvencionalni izvor toplote.

Potreban je priključak za polazni i povratni vod. Ako je u pitanju topli vazduh (npr. za dizalicu toplote vazduh-vazduh), dizalica toplote se može spojiti na kanalni razvod vazduha ili je njen kondenzator izveden tako da ga vazduh opstrujava i zatim direktno ulazi u prostoriju.

Spoj sa toplotnim izvorom izvodi se zavisno o posrednom mediju. Kod dizalica toplote tlo-voda i voda-voda posredni medij je u tečnom stanju (voda, rasolina, glikolna smesa), do isparivača se dovodi cevovodima. Kod dizalica toplote vazduh-voda i vazduh-vazduh posredno medij je vazduh koji se do isparivača dovodi odgovarajućim kanalima ili je isparivač napravljen tako da ga vazduh opstrujava. Dizalice toplote tlo-voda i voda-voda koje za toplotni izvor koriste površinske vode imaju primarni sistem za razmenu toplote koji se sastoji od odgovarajućeg izmenjivača toplote sa cevnim razvodom i pumpama kao i regulacionim, sigurnosnom i mernom opremom (ventilima, razdelnicima, osetnicima i sl.).

Kao radne materije u kompresionim dizalicama toplote se koriste halogeni ugljovodonici i zeotropske smese (najčešće R410 A, R407 C i R134a). Toplotni bilans kompresorske dizalice toplote opisuju sledeće jednačine:

Kompresorske dizalice toplote takođe se mogu izvesti tako da služe i kao izvor rashladnog učina. Dizalice toplote se opremaju pokretnim ventilom, pa kondenzator postaje isparivač, a isparivač kondenzator.

Slika 3 Pojednostavljena šema dizalice toplote sa mogućnošću prekretanja procesa

Nastavak u sledećem broju………

Autori teksta: Prof. dr Dragan Škobalj, Ž. Đokić, dipl.ing.