Dobór odpowiedniego czynnika roboczego, elementów składowych obiegu chłodniczego oraz jego automatyki ma wpływ na sprawność układu chłodniczego. W znaczącej mierze wpływ na sprawność pompy ciepła ma czynnik roboczy zastosowany w jej obiegu cieplnym.

Istotny wpływ na dobór płynu roboczego ma wymagany zakres parametrów pracy, a zwłaszcza temperatura wylotowa z układu tłoczenia sprężarki, która może się wahać od niskich wartości – około 30ºC do około 150ºC.
Kolejną istotną sprawą dotyczącą doboru płynu roboczego do układu chłodniczego z systemem odzysku ciepła jest rozpatrzenie różnych możliwości jego realizacji w zależności od charakteru krzywych nasycenia czynnika oraz poziomu ciśnień założonych w projekcie układu chłodniczego.

Rys. 1. Przebieg krzywych sprężarkowego układu chłodniczego dla czynnika R717
z zaznaczonym obszarem pary przegrzanej (czynnik suchy dla procesu sprężania)

Rys. 2. Przebieg krzywych sprężarkowego układu chłodniczego dla czynnika R600a
z zaznaczonym obszarem pary przegrzanej (czynnik mokry dla procesu sprężania)

Porównanie czynników roboczych w zastosowaniu do wysokotemperaturowych pomp ciepła
W przypadku odzysku ciepła z pary przegrzanej duży wpływ ma nachylenie krzywych linii stałej entropii w odniesieniu do linii nasycenia określającej początek skraplania pary nasyconej. Na rysunku 1 przedstawiono przykładową zależność różnicy entalpii pary nasyconej i przegrzanej wynikającą z izentropowego teoretycznego sprężania czynnika roboczego z ciśnienia wrzenia Pb=1,1 bar do ciśnienia skraplania Pk=9 bar. Wartość różnicy entalpii wynikającej z izentropowego sprężania (którego początek znajduje się na linii nasycenia pary w warunkach wrzenia) i entalpii nasycenia gazu (w warunkach początku skraplania) została zaznaczona jako Δh.

Δh_s-sat = h_s – h"

W tabeli 1 przedstawiono zestawienie parametrów termicznych różnych czynników roboczych, wyznaczonych przy założeniu sprężania czynnika roboczego z ciśnienia wrzenia Pb=1,1 bar do ciśnienia skraplania P_k=9 bar.

Rys. 3. Porównanie możliwości odzysku ciepła z pary przegrzanej dla różnych czynników chłodniczych

W tabeli 2 przedstawiono zestawienie czynników roboczych dla zdefiniowanej temperatury skraplania powyżej 70°C i temperatury wrzenia na poziomie 0°C. Wyjątkiem od tego jest aceton, który może być stosowany w pozyskiwaniu wysokich wartości temperatury, jednak z racji technicznych możliwości pozyskiwania niskiego ciśnienia w układzie sprężarkowym, parametry dolnego źródła powinny być dość wysokie, co jednocześnie ogranicza zastosowanie tego czynnika.
Z przedstawionych tablic wyraźnie widać, iż czynniki robocze takie jak Amoniak i R723 dla pomp ciepła wysokotemperaturowych, w których temperatura skraplania jest powyżej 70°C pozwalają dodatkowo na zwiększenie temperatury czynnika chłodzącego (woda na potrzeby c.w.u. lub c.o.). Zastosowanie odpowiedniego wymiennika przeciwprądowego, w którym istnienie możliwość odzysku ciepła z pary przegrzanej pozwala na osiągnięcie temperatury wody nawet powyżej 100°C.
Amoniak oraz czynnik R723 pozwalają dodatkowo na przekazanie dość dużego strumienia ciepła z obszaru pary przegrzanej, co dla konfiguracji pompy ciepła wg rysunku 4 pozwala na dość szybkie podgrzanie wody zarówno do celów c.w.u. jak i c.o.
Z przedstawionych rysunków 1 i 3 wynika, że najbardziej odpowiednim czynnikiem do odzysku ciepła przegrzania jest czynnik R717 znany jako amoniak lub R723 (mieszanina amoniaku i dimetyloeteru). Do następnej grupy czynników chłodniczych, które umożliwiają odzysk ciepła z pary przegrzanej zaliczyć można R410A, R22, R290 i R407C. Następną grupą, która umożliwia odzysk ciepła przegrzania w stosunkowo niewielkim stopniu są czynniki R507A, R422A, R417A, R404A i R134a. Natomiast czynniki mokre podczas sprężania takie jak R123, R600a (rys. 2) nie nadają się do odzysku ciepła przegrzania z uwagi na to, iż linie stałej entropii przemiany sprężania teoretycznie wchodzą w obszar dwufazowy podczas sprężania.
Należy podkreślić, iż mokre czynniki robocze (rys. 2), których punkt krytyczny znajduje się powyżej temperatury 75°C pozwalają na uzyskanie parametrów roboczych odpowiadających wysokotemperaturowym pompom ciepła (np. izobutan, aceton).

Rys. 4. Konfiguracja wymiennika przeciwprądowego w systemie pompy ciepła wysokotemperaturowej;
1 – regulator c.o., 2 – wymiennik przeciwprądowy wysokotemperaturowy,
3 – zasobnik ciepła, 4 – sprężarka pompy ciepła)

Podsumowanie
Parametry robocze wysokotemperaturowych pomp ciepła zależą nie tylko od czynnika roboczego, ale również od temperatury wrzenia oraz skraplania czynnika. Temperatura dolnego źródła ciepła ma wpływ na pobór mocy elektrycznej w układzie sprężarki. Dla pomp ciepła idealnym dolnym źródłem ciepła jest miejsce, w którym temperatura jest względnie wysoka oraz nie zmienia się na skutek odbioru ciepła ze strefy parowania (parownik pompy ciepła).
Dobór odpowiedniej wysokotemperaturowej pompy ciepła zależy od zapotrzebowania na ciepło. Wysokotemperaturowe pompy ciepła wykorzystujące np. amoniak, izobutan, aceton czy propan jako czynnik roboczy powinny być instalowane w budynkach wyposażonych w odpowiednie systemy zabezpieczające przed wybuchem.
Należy zwrócić również uwagę na koszty inwestycji i eksploatacji, gdyż wysokotemperaturowe pompy ciepła są z reguły droższe w eksploatacji (przy porównywalnych nakładach inwestycyjnych jak niskotemperaturowe pompy ciepła) z racji większego poboru mocy elektrycznej zasilającej sprężarkę pompy ciepła.

AUTOR: dr iż Robert MATYSKO
– Zakład Termodynamiki IMP-PAN w Gdańsku