در این مقاله قصد داریم به‌طرز کار پمپ‌های حرارتی بپردازیم. انواع مختلفی از پمپ‌های حرارتی وجود دارند، اما ما در اینجا به عملکرد پمپ حرارتی منبع هوا می‌پردازیم. در این نوع از پمپ‌های حرارتی از یک شیر چهار طرفه برای تغییر حالت به گرمایش و سرمایش استفاده می‌شود. قبلاً در مقاله دیگری در مورد عملکرد شیر چهار طرفه صحبت کرده‌ایم.
بخش‌های اصلی پمپ حرارتی عبارت‌اند از: یونیت داخلی، یونیت خارجی و لوله‌های ارتباط‌دهنده آنها که همگی عایق‌شده‌اند.
اجزای یونیت داخلی پمپ حرارتی
- مبدل حرارتی
- شیر انبساط
- شیر تنظیم
- فن
اجزای یونیت خارجی پمپ حرارتی
- کمپرسور
- مبدل حرارتی
- فن
- شیر چهار طرفه
- شیر تنظیم
- شیر انبساط
حالت سرمایش در پمپ حرارتی
پمپ حرارتی در حالت سرمایش مانند یک دستگاه کولر گازی معمولی عمل می‌کند. یونیت خارجی در پمپ حرارتی نقش کندانسور را دارد و یونیت داخلی به‌عنوان به اواپراتور عمل می‌کند.
مبرد کمپرسور را به‌صورت یک گاز با فشار و دمای بالا ترک می‌کند و مستقیم به بخش بالایی شیر چهار طرفه می‌رسد. شیر چهار طرفه جهت جریان مبرد را در پمپ حرارتی تعیین می‌کند. در این‌مورد، یعنی در حالت سرمایش، مبرد مستقیماً به مبدل حرارتی یونیت خارجی فرستاده می‌شود. در آنجا بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد و مایع می‌شود.
هوای محیط خنک‌تر از دمای مبرد داخل لوله‌هاست. فن یونیت خارجی هوا را در سرتاسر مبدل حرارتی به جریان می‌اندازد که انرژی مبرد را از آن می‌گیرد و باعث مایع شدن آن می‌شود.
نکته: مبرد همیشه داخل لوله‌ها می‌ماند و هرگز با هوا مخلوط نمی‌شود. انرژی گرمایی از طریق دیواره لوله‌ها و به‌خاطر اختلاف دما و جریان همیشگی گرما به سرما منتقل می‌شود.
دمای مبردی که کمپرسور را ترک می‌کند بسیار بالاتر از دمای هوای بیرون است، بنابراین تبادل گرمایی صورت می‌گیرد. اگر مبرد و هوا هم‌دما باشند، هیچ تبادل گرمایی صورت نمی‌گیرد و پمپ حرارتی کار نمی‌کند. هرچه اختلاف دما بین مبرد و هوای بیرون بیشتر باشد، تبادل گرمایی بیشتری اتفاق می‌افتد.
بنابراین مبرد که وارد یونیت خارجی شده و از مبدل حرارتی آن عبور کرده، تبدیل به مایع می‌شود مبرد هنگام ترک کندانسور و عبور از شیر تنظیم یک مایع اشباع با دمای متوسط است که هنوز فشار بالایی دارد. فشار بالای مبرد هنگام خروج از کمپرسور عامل جریان آن در کل سیستم تبرید است.
در اینجا یونیت خارجی پمپ حرارتی که نقش کندانسور را دارد، مسئول بیرون راندن گرما از سیستم است. تمام گرمای ناخواسته‌ای که سیستم از یونیت داخلی گرفته، توسط کمپرسور به سمت کندانسور روانه می‌شود. کندانسور گرما را به هوای بیرون منتقل می‌کند. وظیفه فن در این فرآیند تسریع عملیات تبادل گرماست.
مبرد مایع بعد از این انتقال حرارت به یونیت داخلی فرستاده می‌شود و به یک شیر تنظیم دیگر می‌رسد. اما این شیر تنظیم اجازه عبور مبرد را نمی‌دهد. بنابراین مبرد وارد شیر انبساط می‌شود.
مبرد هنگام ترک شیر انبساط ترکیبی از مایع و گاز با فشار و دمای پایین است که به مبدل حرارتی یونیت داخلی در پمپ حرارتی رفته و گرمای ناخواسته محیط تهویه را می‌گیرد. فن یونیت داخلی هوا را در سرتاسر محیط به گردش درمی‌آورد تا هوای گرم به داخل یونیت کشیده‌شده و هوای خنک وارد محیط تهویه شود.
مبدل حرارتی یونیت داخلی در واقع نقش اواپراتور را دارد. مبرد به شکل ترکیبی از مایع و گاز وارد اواپراتور می‌شود. مبرد نقطه جوش پایینی دارد. پس دمای هوای داخل اتاق برای به جوش آوردن مبرد و تبدیل آن به گاز اشباع کافی است.
مبرد هنگام خروج از یونیت داخلی یک گاز اشباع کم‌فشار و کم‌دماست که وارد شیر چهار طرفه می‌شود. شیر چهار طرفه مبرد را به کمپرسور بازمی‌گرداند تا چرخه تبرید دوباره آغاز شود.
حالت گرمایش در پمپ حرارتی
در حالت گرمایش پمپ حرارتی، نقش یونیت داخلی و خارجی برعکس می‌شود. یعنی یونیت خارجی نقش اواپراتور را دارد و یونیت داخلی به‌عنوان کندانسور عمل می‌کند.
مبرد گازی‌شکل با فشار و دمای بالا وارد یونیت داخلی که حالا نقش کندانسور را دارد می‌شود.
فن هوا را در اطراف مبدل حرارتی به جریان می‌اندازد. دمای هوا کمتر از دمای مبرد داخل لوله‌های مبدل حرارتی یا همان کندانسور است. بنابراین مبرد بخشی از گرمای خود را به هوا منتقل می‌کند. به‌این‌ترتیب مبرد به مایع تبدیل می‌شود.
مبرد یونیت داخلی را ترک کرده و به سمت شیر تنظیم و شیر انبساط می‌رود. این‌بار مبرد از شیر تنظیم عبور می‌کند.
جریان مبرد در طول خط مایع به سمت یونیت خارجی برقرار است. اما شیر تنظیم یونیت خارجی اجازه عبور به مبرد را نمی‌دهد و مبرد مجبور می‌شود به‌جای آن از شیر انبساط عبور کند.
شیر انبساط مبرد را منبسط و تبدیل به ترکیبی از مایع و گاز کم‌فشار و کم‌دما می‌کند.
حالا فن یونیت خارجی پمپ حرارتی هوا را به اطراف مبدل حرارتی که نقش اواپراتور را دارد می‌کشاند. دمای هوا بالاتر از نقطه جوش مبرد است، بنابراین مبرد می‌جوشد و گرمای هوا را می‌گیرد.
مبرد در این مرحله به یک گاز اشباع کم‌فشار و کم‌دما تبدیل شده‌است که به سمت کمپرسور می‌رود. مبرد از کمپرسور عبور کرده و چرخه گرمایش تکرار می‌شود.
بنابراین مبرد تمام انرژی گرمایی را از هوای بیرون می‌گیرد و به کمپرسور می‌رود. کمپرسور آن را متراکم و پرفشار می‌کند و به سمت یونیت داخلی می‌فرستد.
شاید بپرسید در زمستان که هوا سرد است، هیچ انرژی گرمایی در خارج وجود ندارد که به مبرد منتقل شود. اما واقعیت این است که هوا انرژی کافی برای جذب توسط پمپ حرارتی را دارد. تا زمانی‌که دمای هوا بالاتر از منفی ۲۷۳ درجه باشد، انرژی کافی برای فعالیت سیستم وجود دارد.
تذکر: هرچه دمای هوا پایین‌تر باشد، بیرون کشیدن انرژی از آن سخت‌تر است و گاهی سیستم پمپ حرارتی بیشتر از آنچه انرژی جذب کند، انرژی مصرف می‌کند.
نکته: توانایی سیستم برای جذب انرژی حرارتی از هوا بستگی به دما دارد، چون نقطه جوش مبرد بسیار پایین است.
نقطه جوش مبردهای مختلف در پمپ حرارتی بدین شرح است:
آب: 100˚C
R134a: C26° -
R410a: C48° -
پمپ‌های حرارتی سیستم‌های نسبتاً پیچیده‌ای به‌نظر می‌رسند. در مقاله‌های دیگری در مورد این پمپ‌ها و عملکرد آنها بیشتر صحبت خواهیم کرد.
با مشاهده دوره آموزش سیستم‌های تبرید سردخانه و چیلر در سامانه رهجو بیشتر با عملکرد بخش‌های مختلف این سیستم آشنا خواهید شد.