Siltumsūknis – apkurei mēs ņemam siltumu no planētas Zeme
Ar mērķi pārvarēt ziemas aukstumu māju īpašnieki meklē enerģiju un piemērotus apkures katlus, apskaužot tos laimīgos, kuru mājās ir dabasgāzes padeves līnijas. Katru ziemu krāsnīs sadedzina tūkstošiem tonnu koksnes, ogles, naftas produktus, patērē megavatus elektrības par astronomiskiem daudzumiem, kas katru gadu palielinās, un šķiet, ka citas izejas vienkārši nav. Tikmēr viens pastāvīgs siltumenerģijas avots vienmēr atrodas netālu no mūsu mājām, tomēr Zemes iedzīvotājiem ir diezgan grūti to pamanīt šādā spējā. Ko darīt, ja māju apkurei izmantojam savas planētas siltumu? Un tam ir piemērota ierīce – ģeotermālais siltumsūknis.
Siltumsūkņa vēsture
Šādu ierīču darbības teorētisko pamatojumu 1824. gadā sniedza franču fiziķis Sadi Karnots, kurš publicēja savu vienīgo darbu par tvaika dzinējiem, kurā tika aprakstīts termodinamiskais cikls, kuru fiziķis Benoits Kliperons pēc 10 gadiem matemātiski un grafiski apstiprināja un sauca par “Karnotu ciklu”.
Pirmo siltumsūkņa laboratorijas modeli izveidoja angļu fiziķis Viljams Tomsons lords Kelvins 1852. gadā, veicot eksperimentus ar termodinamiku. Starp citu, siltumsūknis savu nosaukumu ieguva no lorda Kelvina.
Rūpniecisko siltumsūkņu modeli 1856. gadā uzbūvēja austriešu kalnrūpniecības inženieris Pīters fon Rīters, kurš izmantoja šo ierīci sālsūdens iztvaikošanai un sāls purvu novadīšanai sausā sāls iegūšanai.
Siltumsūkņa konstrukcija un darbības princips
Nogrimstot zemes garozā, uz kuras virsmas mēs dzīvojam un kuras biezums uz sauszemes ir aptuveni 50–80 km, tā temperatūra paaugstinās – tas ir saistīts ar magmas augšējā slāņa tuvumu, kura temperatūra ir aptuveni 1300 ° C. 3 metru vai vairāk dziļumā augsnes temperatūra jebkurā gada laikā ir pozitīva, ar katru dziļuma kilometru tā paaugstinās vidēji par 3–10 ° С. Augsnes temperatūras paaugstināšanās ar tās dziļumu ir atkarīga ne tikai no klimatiskās zonas, bet arī no augsnes ģeoloģijas, kā arī no endogēnas aktivitātes noteiktā Zemes apgabalā. Piemēram, Āfrikas kontinenta dienvidu daļā temperatūras paaugstināšanās uz augsnes dziļuma kilometru ir 8 ° C, bet Oregonas štatā (ASV), kuras teritorijā ir atzīmēta diezgan augsta endogēna aktivitāte – 150 ° C uz kilometru dziļuma. Tomēr, lai efektīvi darbotos siltumsūknis, ārējai ķēdei, kas tai piegādā siltumu, nav nepieciešams aprakt simtiem metru pazemē – jebkura vide, kuras temperatūra pārsniedz 0 ° C, var būt siltumenerģijas avots.
Siltumsūknis pārnes siltuma enerģiju no gaisa, ūdens vai augsnes, paaugstinot temperatūru pārneses laikā līdz vajadzīgajai temperatūrai dzesēšanas šķidruma saspiešanas (saspiešanas) dēļ. Ir divi galvenie siltumsūkņu veidi – kompresija un sorbcija.
Neskatoties uz mulsinošo nosaukumu, kompresijas siltumsūkņi ir nevis apkure, bet gan dzesēšanas ierīces, jo tie darbojas pēc tāda paša principa kā jebkurš ledusskapis vai gaisa kondicionieris. Atšķirība starp siltumsūkni un mums labi zināmām saldēšanas iekārtām ir tāda, ka tā darbībai parasti ir nepieciešamas divas ķēdes – iekšējā, kurā cirkulē dzesētājs, un ārējā, ar dzesēšanas šķidruma apriti.
Šīs ierīces darbības laikā dzesētājs iekšējā kontūrā iziet šādus posmus:
- atdzesēts dzesētājs šķidrumā nonāk iztvaicētājā caur kapilāra atveri. Straujas spiediena pazemināšanās ietekmē dzesētājs iztvaiko un pārvēršas gāzveida stāvoklī. Pārvietojoties pa iztvaicētāja izliektajām caurulēm un kustības laikā saskaroties ar gāzveida vai šķidru siltumnesēju, dzesētājs no tā saņem zemas temperatūras siltumenerģiju, pēc kuras tas nonāk kompresorā;
- kompresora kamerā dzesētājs tiek saspiests, savukārt tā spiediens strauji palielinās, kas izraisa dzesētāja temperatūras paaugstināšanos;
- no kompresora karstais dzesēšanas šķidrums seko kontūrai kondensatora spolē, kas darbojas kā siltummainis – šeit dzesētājs atstāj siltumu (apmēram 80–130 ° C) dzesēšanas šķidrumam, kas cirkulē mājas apkures lokā. Zaudējis lielāko daļu siltumenerģijas, dzesētājs atgriežas šķidrā stāvoklī;
izejot caur izplešanās vārstu (kapilāru) – tas atrodas siltumsūkņa iekšējā kontūrā, sekojot siltummainim – dzesētājā samazinās atlikušais spiediens, pēc kura tas nonāk iztvaicētājā. No šī brīža darba cikls tiek atkārtots vēlreiz.
Tādējādi siltumsūkņa iekšējā struktūra sastāv no kapilāra (izplešanās vārsta), iztvaicētāja, kompresora un kondensatora. Kompresora darbību kontrolē elektronisks termostats, kas pārtrauc kompresora strāvas padevi un tādējādi pārtrauc siltuma ģenerēšanas procesu, kad mājā tiek sasniegta iestatītā gaisa temperatūra. Kad temperatūra nokrītas zem noteikta līmeņa, termostats automātiski ieslēdz kompresoru.
Freoni R-134a vai R-600a cirkulē kā dzesētājs siltumsūkņa iekšējā kontūrā – pirmais ir balstīts uz tetrafluoretānu, otrais – uz izobutānu. Abi šie dzesētāji ir droši Zemes ozona slānim un ir videi draudzīgi. Kompresijas siltumsūkņus var vadīt ar elektromotoru vai iekšdedzes motoru.
Sorbcijas siltumsūkņos tiek izmantota absorbcija – fizikāli ķīmiskais process, kura laikā gāzes vai šķidruma tilpums palielinās cita šķidruma ietekmē temperatūras un spiediena ietekmē.
Absorbcijas siltumsūkņi ir aprīkoti ar dabasgāzes termisko kompresoru. Viņu kontūrā ir dzesētājs (parasti amonjaks), kas iztvaiko zemā temperatūrā un spiedienā, vienlaikus absorbējot siltuma enerģiju no apkārtējās cirkulācijas ķēdes. Tvaika stāvoklī dzesējošais līdzeklis nonāk siltummaiņa absorbatorā, kur šķīdinātāja (parasti ūdens) klātbūtnē tas tiek absorbēts un siltums tiek pārnests uz šķīdinātāju. Šķīdinātājs tiek piegādāts ar termosifonu, kas cirkulē caur spiediena starpību starp dzesētāju un šķīdinātāju, vai mazjaudas sūkni lieljaudas iekārtās.
Apvienojot aukstumaģentu un šķīdinātāju ar dažādām viršanas temperatūrām, aukstumaģenta piegādātais siltums liek abiem iztvaikot. Dzesēšanas šķidrums tvaika stāvoklī, kam ir augsta temperatūra un spiediens, caur kontūru nonāk kondensatorā, pārvēršas šķidrā stāvoklī un izdala siltumu siltumtīkla siltummainim. Pēc iziešanas caur izplešanās vārstu dzesējošais līdzeklis atgriežas sākotnējā termodinamiskā stāvoklī, līdzīgā veidā šķīdinātājs atgriežas sākotnējā stāvoklī.
Absorbcijas siltumsūkņu priekšrocības ir spēja darboties no jebkura siltuma enerģijas avota un kustīgu elementu pilnīga neesamība, t.i., beztrokšņa. Trūkumi – mazāka jauda, salīdzinot ar kompresijas vienībām, augstas izmaksas konstrukcijas sarežģītības un nepieciešamības dēļ izmantot korozijizturīgus, grūti apstrādājamus materiālus.
Adsorbcijas siltumsūkņos tiek izmantoti tādi materiāli kā silikagels, aktivētā ogle vai ceolīts. Pirmajā darba posmā, ko sauc par desorbcijas fāzi, siltumenerģija tiek piegādāta siltummaiņa kamerai, kas no iekšpuses ir pārklāta ar sorbentu, piemēram, no gāzes degļa. Sildīšana izraisa dzesētāja (ūdens) iztvaikošanu, iegūtais tvaiks tiek nogādāts otrajā siltummainī, kas pirmajā fāzē izdala siltumu, kas iegūts tvaika kondensācijas laikā apkures sistēmai. Pilnīga sorbenta žāvēšana un ūdens kondensācijas pabeigšana otrajā siltummaiņā pabeidz pirmo darba posmu – siltumenerģijas padeve pirmā siltummaiņa kamerā apstājas. Otrajā posmā kondensētā ūdens siltummainis kļūst par iztvaicētāju, piegādājot siltuma enerģiju no ārējās vides dzesētājvielai. Tā kā spiediena attiecība sasniedz 0,6 kPa, saskaroties ar siltumu no ārējās vides, dzesējošais līdzeklis iztvaiko – ūdens tvaiki nonāk pirmajā siltummainī, kur tie adsorbējas sorbentā. Siltums, ko tvaiks izdala adsorbcijas procesā, tiek pārnests uz apkures sistēmu, pēc kura cikls tiek atkārtots. Jāatzīmē, ka adsorbcijas siltumsūkņi nav piemēroti lietošanai mājsaimniecībā – tie ir paredzēti tikai ēkām ar lielu platību (no 400 m2), mazāk jaudīgi modeļi joprojām tiek izstrādāti.
