INVERZ HŐSZIVATTYÚ

(PCT/HU2014/000087)

Technikai alapok:

A jelenleg elterjedten használt hőszivattyúk többsége a munkaközeg halmazállapot változásával hozza létre a hőközléseket. A hőszivattyúk főként elektromos, kisebb részt belső, vagy külső égésű motoros hajtásból állítanak elő hőmérséklet különbséget a környezetükben. A létrehozott termodinamikus körfolyamatok többnyire fordított Carnot ciklust, kisebb részt Lorentzen, vagy Brayton ciklust valósítanak meg.

A hőszivattyú a hűlő térbe juttatott hideg munkaközeggel hőt von el, amit aztán a hőleadó térbe szállítva lead. A hőszállítás feltétele, hogy a hőleadó egység hőmérséklete magasabb legyen annál, mint ahova a hőt le akarjuk adni.

A hőszivattyú működését a „jósági tényezővel” (COP= Coefficient of Performance) jellemezzük, de nem szabad megfeledkezni arról sem, hogy a hőfelvétel és hőleadás között milyen hőmérséklet különbség van.

Minél nagyobb a hőkülönbség, annál kisebb a COP értéke és a fajlagos teljesítmény nagysága. A hőszivattyúk még szélesebb elterjedésének többek között ez a jelenség a gátja.

Elméletileg a COP értéke elérheti a 4-es értéket -20^oC -ról 65 ^oC-ra történő emeléskor, de ebben az esetben a teljesítmény gazdaságtalanul kicsi lesz. A gyakorlat inkább az, hogy -20 ^oC -ról nem érdemes hőt behozni a 65 ^oC-ra történő emeléshez. A fűtési célt szolgáló hőszivattyúk általában -5 ^oC hőfelvételi szint alatt „villamos fűtéssé” változnak az 1,8 alatti COP miatt.

A hűtési célt szolgáló hőszivattyúk (hűtőgépek) esetén is hasonló jelentősége van a hőlépcső nagyságának, de ott a COP még kisebb lesz..

Inverz hőszivattyú technológiája:

Az „inverz” szó itt fordítottat, kifordítottat jelent. Az „inverz hőszivattyú” alapesetét az 1.ábrán mutatjuk, amely egy kompresszorból, egy expanderből és legalább két hőcserélőből áll.

A működés:

A hűtendő levegő a külső nyomás hatására az 1-es pontban beáramlik a 25-ös hőcserélőbe, majd ott felmelegedve beáramlik a kompresszor 2-es bemenetén keresztül a táguló térbe, ahol feltöltési térfogati munkát végez. A 2-3 pontok között megtörténik a kompresszió. A felmelegedett munkaközeg a 24-es hőcserélőben leadja a környezetnek a 26 jelű hőenergiát, ami fűti a kiválasztott teret. A 4-5 pontok között a munkaközeg leadja a maradék hőjét, amíg le nem hűl az 1-es ponton beáramló levegő hőmérsékletéig. Az 5-6 pont között megtörténik az adiabatikus expanzió ahol a közeg munkát végezve lehűl, majd a hűtendő térbe visszaáramlik, ahonnét hőt vesz fel. A 21 hajtás jelen esetben elektromos hajtást jelent.

A 2. és 3. ábrán forgó dugattyús kompresszor és expander képét mutatjuk.
Az inverz technológia része, hogy a komprimálás előtt nem hűtjük, hanem éppen fűtjük a munkaközeget azért, hogy majd a belső térbe áramolva a felvett hőt át tudja adni a következő töltetnek, amely attól előmelegszik. A 24 hőcserélőn át egy magas hőmérsékleten tudjuk leadni a fűtési hőt, így a kompresszió által termelt többlet hőenergia magas hőmérsékleten hasznosul.

A belső térbe közegcserével került munkaközeg izobár hőközléssel lett felmelegítve, így az ott keletkezett térfogati munka eredménye és a hőközlés eredménye a közeggel „együtt kerül” a belső oldalra, ahol az izobár hőleadáskor a térfogat csökkenési munka is hőenergiává alakulva adódik át. A hőenergia és az izobár térfogati munka tulajdonképpen „körbejár”, miközben a hőleadási hőmérséklet magasan marad.

A térben és időben eltolt közegcsere Q=m*Cv*dt hőátadással, valamint az izobár hőközlés Q=m*Cp*dt hőátadással teszi lehetővé a hőleadási hőmérséklet magasan tartását anélkül, hogy az ahhoz szükséges energiát a hajtásból kellene biztosítani.

A 6-os ponton a környezetbe kitolt expanzió során lehűlt hideg munkaközeg a környezetéből hőenergiát képes elvonni, vagyis hűt.

Az inverz hőszivattyú folyamat a 25-ös hőcserélőben „visszafordított” hőenergia és térfogati munka hatására eltávolítja egymástól a hőleadási és hőfelvételi hőmérsékletet, amellyel lényegesen javul a hőszivattyú hatékonysága.

Modell számítás:

Példaként bemutatunk egy számítást, amelyet az egyesített gáztörvény összefüggéseit felhasználva számoltunk ki.
(p₁ * V₁ / T₁ = p₂ * V₂ / T₂)

A térfogati munkákat az alábbi összefüggésekkel számoljuk:
L = p₂ * v₂ - Wcomp - p₃ * v₃ + p₅ * v₅ + Wexp - p₆ * v₆

A p*v szorzat a ki és betolási munka a Wexp az expanziós, a Wcomp az adiabatikus sűrítés térfogati munkája.
A veszteségeket az egyszerűség érdekében elhanyagoljuk..

Bemenő adatok:

1-es pontban munkaközeg: p₁ = 1 bar, t₁ = -5 ^oC levegő

Eredmények:

2-es pontban munkaközeg: p₂ = 1,00 bar, t₂ =   67 ^oC, v₂ = 1,000
3-as pontban munkaközeg: p₃ = 1,20 bar, t₃ =   85 ^oC, v₃ = 0,878
4-es pontban munkaközeg: p₄ = 1,20 bar, t₄ =   67 ^oC
5-ös pontban munkaközeg: p₅ = 1,20 bar, t₅ =   -5 ^oC, v₅ = 0,657
6-os pontban munkaközeg: p₆ = 1,00 bar, t₆ = -19 ^oC, v₆ = 0,748

Az egyes részfolyamatok egymásra hatása miatt nem alkalmazható az additivitás az egyes alrendszerekre, ezért minden állapotváltozást és közegáramlást külön számolunk, és a végén összegzünk. Az adiabatikus állapotváltozások térfogati munkáját numerikus integrálással számoljuk a kezdő- és végtérfogati pontok között.

Fejlesztési lehetőségek:

A példánkban nyitott rendszert mutattunk be 1 bar környezeti nyomással. Amennyiben a ki- és bemeneteket lezárjuk egy hőcserélővel, akkor az 1 bár helyett akár 10, vagy 50 báros statikus nyomást és más munkaközeget is alkalmazhatunk. Ebben az esetben a munkaközeg tömege megsokszorozódik, így a fajlagos teljesítmény is megsokszorozódik.

Inverz technológiát alkalmazva a hűtő berendezések jósági foka is magasabb lesz, mint a hagyományos Carnot ciklusnál megszokott. (Hűtéshez a 4. ábra COP értékeiből 1-et kell levonni a hajtás energia bevitelének megfelelően.)

Az inverz hőszivattyú alkalmazásának előnyei:

• A jelenleginél energiatakarékosabb fűtőberendezések építhetők

• A fűtőberendezések fűtés oldalán akár több száz ^oC is elérhető több, mint 3-as COP mellett

• A 35 ^oC feletti (80 ^oC) hőleadó környezetben is telepíthető hatékony hűtőgép (sivatagban)

• -10 ^oC alatt is (-60 ^oC) hatékony marad (COP > 3 ) az inverz hőszivattyú

• Nincs szükség drága, és környezetkárosító hűtőközeg alkalmazására

• Az inverz hőszivattyút hűtő berendezésként alkalmazva is magasabb COP-vel rendelkezik, mint a jelenlegi kompresszoros és abszorpciós hűtő berendezések.

• Nincsen hideg hőcserélő lefagyás.

• A levegő munkaközegben lévő vízpára javítja a hatékonyságot.

• A hűtött tér vízpáráját nem kondenzálja az inverz hűtő megfelelő légkeverés mellett.