Dizalice toplote i njihov istorijat – II DEO

Podsećanja radi, a kako smo već predočili u tekstu ranije, ubrzan porast primene dizalica toplote započeo sedamdesetih godina prošlog veka, princip njihovog rada poznat je od početka 19. veka. Zahvaljujući razvoju novih tehnologija i novim tehničkim rešenjima koja su omogučila povećanje efikasnosti, smanjenje dimenzija i mase, i primena dizalica toplote, u prvih dvadeset godina 21. veka sve je veća, pa se može ocekivati da će se u bliskoj budućnosti koristiti kao osnovni izvor toplote u većini niskotemperaturnih sistema grejanja.
Dizalice toplote se opremaju pokretnim ventilom, pa kondenzator postaje isparivač, a isparivač kondenzator.

Isparivač

Isparivač je deo rashladnog sistema (dizalica toplote ili rashladnog uređaja) u kojem dolazi do potpunog isparavanja radne materije, zahvaljujući dovođenju toplote iz neposredne okoline (prostora ili medija). Isparivač dizalice toplote je izmenjivač toplote u kojem radni medij razmenjuje toplotu sa posrednim medijima (vodom, rasolinom, glikolnom smesom, vazduhom), pri čemu se on hladi.

Razmena toplote

Rashladni učin isparivača zavisi od ukupne površine za razmenu toplote, koeficijenta prolaza toplote izmenjivača i razlici temperature posrednog medija i radne materije koja isparava. Ta bi razlika trebala biti što manja (4–8 °C) pa pritisak isparavanja treba biti što viši.

Proces u isparivaču počinje ulaskom radne materije koja je u stanju mokre pare, ponaša se kao smesa tečnosti i pare. Zatim u isparivaču pri konstantnom pritisku (p) dolazi do isparavanja do granice zasićenja zbog dovođenja toplote iz neposredne okoline. Kako bi se osiguralo potpuno isparavanje radne materije, ona se pregrejava na temperaturu υ1, koja je viša od temperature isparavanja. Time se onemogućava ulazak neisparenih delova radne materije u kompresor što može uzrokovati hidraulički udar i njegovo oštećenje. Kod konstrukcije isparivača postavlja se nekoliko zahteva. Najvažniji su što manje, kompaktnije dimenzije, što manji pad pritiska na strane posrednog medija i radne materije, te omogućavanje što veće gustine toplotnog toka pri razmeni toplote.

Zavisno od konstrukcije dizalice toplote, odnosno toplotnog izvora koji se koristi, postoji više konstrukcija isparivača:

1. Isparivači za dizalice toplote sa tlom kao toplotnim izvorom (posredni medij) su rasoline ili glikolne smese:
   • pločasti (kompaktnih dimenzija i najčešći u primeni)
       – sa cevnim snopom
       – sa dvostrukom koaksijalnom cevi
2. Isparivači za dizalice toplote sa podzemnom vodom kao toplotnim izvorom (posredni medij je voda):
       – pločasti od nerđajućeg čelika
       – sa dvostrukom koaksijalnom cevi od bakra ili legura bakra i nikla
3. Isparivači za dizalice toplote sa tlom kao toplotnim izvorom i direktnim isparavanjem (ne koristi se posredni medij, već se toplota razmenjuje direktno sa tlom)
4. Isparivači za dizalice toplote sa površinskom vodom kao toplotnim izvorom (posredni medij je voda):
   • Pločasti
5. Isparivači za dizalice toplote sa vazduhom kao toplotnim izvorom (posredni medij je vazduh);
      – lamelasti, sa bakrenim cevima i lamelama (rebrima) od bakra ili aluminijuma
      – sa cevnom zmijom.

Kompresor

Kompresor je deo rashladnog sistema (kompresione dizalice toplote ili rashladnog uređaja) u kojem se radnoj materiji u gasnom stanju dovođenjem energije (rada) povećava energetski nivo (pritisak i temperatura) čime se omogućava njeno kruženje kroz rashladni sistem. Zadatak kompresora je da poveća temperaturu i pritisak radne materije na vrednost na kojoj se omogućava njena kondenzacija na temperaturi koja je viša od temperature ogrevnog medija. Kompresor mora omogućiti komprimiranje celokupne radne materije iz isparivača.

Zavisno od načina na koji se izvodi komprimovanje postoji nekoliko tipova kompresora:

• klipni kompresor
• vijčani kompresor
• spiralni (eng. scroll) kompresor
• turbokompresor

Zavisno od načina ugradnje pogonskog motora, kompresori mogu biti:

• otvoreni
• poluhermetički
• hermetički

Kod dizalica toplote uglavnom se koriste klipni i spiralni kompresori.

Klipni kompresori

Klipni kompresori komprimuju radnu materiju u cilindru naizmeničnim pomeranjem klipa iz donje u gornju mrtvu tačku. Određena količina radne materije u cilindar ulazi dok je klip u donjoj, a iz njega izlazi kada je u gornjoj mrtvoj tački, pri čemu se on pomera pomoću kolenastog vratila. Kod dizalica toplote najčešće se koriste hermetički klipni kompresori. Osnovne prednosti su pouzdana, proverena konstrukcija i niska cena. Nedostaci su pulsirajući pogon, relativno bučan rad.

Slika 3 Pojednostavljena šema dizalice toplote sa mogućnošću prekretanja procesa

Kondenzator

Kondenzator je deo rashladnog sistema (dizalice toplote ili rashladnog uređaja) u kojem dolazi do kondenzacije (utečnjavanja) radne materije, zahvaljujući predaji toplote neposrednoj okolini (prostoru ili mediju). Kondenzator dizalice toplote je razmenjivač toplote u kome radna materija razmenjuje toplotu sa ogrevnim medijumom sistema grejanja (vodom, vazduhom i sl.) koji se pri tome zagreva. Zbog toga je njegov zadatak predaja toplote ogrevnom mediju sistema grejanja.

Razmena toplote u kondenzatoru opisuje se sledećom jednačinom:

Proces u kondenzatoru počinje ulaskom radne materije koja je u gasovitom stanju. Radna materija se prvo hladi na temperaturi kondenzacije, zatim kondenzuje (utečnjuje se) na konstantnoj temperaturi, pritisku, pri čemu se toplota predaje neposrednom okruženju. Pre ulaska u ekspanzioni ventil radna materija se dodatno pothlađuje na temperaturi pothlađivanja. Kondenzator se može podeliti na tri zone, zavisno od procesa koji se u njemu odvijaju: zona pregrejavanja, kondenzacija i pothlađivanje.

Toplotni učin kondenzatora zavisi od ukupne površine za razmenu toplote, koeficijenta prolaza toplote razmenjivača, te razlici temperature radne materije koja kondenzuje i ogrevnog medija.

Ta razlika zavisi od ogrevnog medija i uobičajeno iznosi:

• za vodu; 5-10 °C
• za vazduh; 10-15 °C

Kod konstrukcije kondenzatora postavlja se nekoliko osnovnih zahteva koji su gotovo isti kao i za isparivače: što manje i kompaktnije dimenzije, što manji pad pritiska na strani ogrevnog medija i radne materije i omogućavanje što veće gustine toplotnog toka pri razmeni toplote.

Zavisno od vrste ogrevnog medija postoje dve konstrukcije kondenzatora dizalice toplote.

• vodom hlađeni, kada se kao ogrevni medij koristi voda (za sisteme toplovodnog grejanja, priprema PTV-a)
• vazduhom hlađeni, kada se kao ogrevni medij koristi vazduh (za sisteme toplovazdušnog grejanja, ventilacije i klimatizacije)

Ekspanzioni ventil

Ekspanzioni (prigušni ventil) je deo rashladnog sistema (dizalice toplote) ili rashladnog uređaja u kome se radnoj materiji u tečnom stanju snižava energetski nivo (temperatura i pritisak). Zadatak ekspanzionog ventila je da snizi temperaturu i pritisak radne materije na vrednost na kojoj se omogućava njeno isparavanje, na temperaturi koja je niža od temperature posrednog medija.

Proces u ekspanzionom ventilu počinje ulaskom radne materije koja je potpuno u tečnom stanju, a često i pothlađena. Nakon toga ekspandira, uz snižavanje temperature i pritiska do vrednosti temperature i pritiska isparavanja sa kojima ulazi u isparivač, pri čemu delimično isparava. Istovremeno se prilagođava zapreminski protok radne materije potrebnom rashladnom učinu isparivača.

Danas se koriste najčešće tri konstrukcije ekspanzionih ventila:

• jednostavna kapilarna cev,
• termostatski ekspanzioni (termoekspanzioni ventil),
• ekspanzioni ventil sa elektronskim upravljanjem.

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