Il principio di funzionamento di una pompa di calore. Schema, descrizione

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Il principio di funzionamento di una pompa di calore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Il principio di funzionamento di una pompa di calore deriva dai lavori di Carnot e dalla descrizione del ciclo di Carnot, pubblicata nella sua dissertazione nel 1824. Un pratico sistema di pompa di calore fu proposto da William Thomson (Lord Kelvin) nel 1852. per il riscaldamento. Nel giustificare la sua proposta, già allora, Thomson sottolineava che le limitate risorse energetiche non avrebbero consentito la combustione continua di combustibile nelle fornaci per il riscaldamento e che il suo moltiplicatore di calore avrebbe consumato meno combustibile rispetto alle fornaci convenzionali. La pompa di calore (HP) proposta da Thomson utilizzava l'aria come fluido di lavoro. L'aria ambiente veniva aspirata nel cilindro, espansa mentre si raffreddava, quindi fatta passare attraverso uno scambiatore di calore, dove veniva riscaldata dall'aria esterna. Dopo essere stata compressa alla pressione atmosferica, l'aria dal cilindro entra nella stanza riscaldata, essendo riscaldata a una temperatura superiore a quella ambiente. In effetti, una macchina simile è stata implementata in Svizzera. Thomson ha affermato che la sua HP è in grado di produrre il calore richiesto utilizzando solo il 3% dell'energia utilizzata per il riscaldamento.

Gli impianti a pompa di calore sono stati ulteriormente sviluppati solo negli anni '20 e '30 del XX secolo, quando in Inghilterra è stato realizzato il primo impianto progettato per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda utilizzando il calore dell'aria circostante. Successivamente sono iniziati i lavori negli Stati Uniti, che hanno portato alla realizzazione di diversi impianti dimostrativi.

Nel 1938-1939 fu messo in funzione a Zurigo il primo grande impianto di pompe di calore in Europa. Utilizzava il calore dell'acqua del fiume, un compressore rotativo e un refrigerante. Ha fornito il riscaldamento del municipio con acqua con una temperatura di 60°C con una potenza di 175 kW. C'era un sistema di accumulo di calore con un riscaldatore elettrico per coprire il carico di punta. Durante i mesi estivi, l'impianto funzionava per il raffrescamento. Nel periodo dal 1939 al 1945 furono creati altri 9 impianti di questo tipo per ridurre il consumo di carbone nel paese. Alcuni di loro operano con successo da oltre 30 anni.

Così, nel 1824, Carnot utilizzò per la prima volta il ciclo termodinamico per descrivere il processo, e questo ciclo rimane la base fondamentale per confrontarsi con esso e valutare l'efficienza di HP. Una pompa di calore può essere pensata come un motore termico invertito. Il motore termico riceve calore (Fig. 1.1.1) da una fonte ad alta temperatura e lo scarica a bassa temperatura, dando lavoro utile. Una pompa di calore richiede lavoro per generare calore a basse temperature e fornirlo a temperature più elevate.

Principio di funzionamento della pompa di calore
Fig.1.1.1. Schema termodinamico di una pompa di calore e di un motore termico: 1 - pompa di calore; 2 - motore termico.

Si può dimostrare che se entrambe queste macchine sono reversibili (cioè i processi termodinamici non contengono calore o perdite di lavoro), allora c'è un limite finito all'efficienza di ciascuna di esse, e in entrambi i casi questo è il rapporto Qн/ W. Se così non fosse, allora sarebbe possibile costruire una macchina a moto perpetuo semplicemente collegando una macchina all'altra. Solo nel caso di un motore termico tale rapporto si scrive nella forma W/Qn e si chiama rendimento termico, mentre per una pompa di calore rimane nella forma Qn/W e si chiama coefficiente di conversione del calore (Kt).

Se assumiamo che il calore sia fornito isotermicamente alla temperatura TL e rimosso isotermicamente alla temperatura TH, e che la compressione e l'espansione siano eseguite a entropia costante (Fig. 1.1.2), il lavoro è fornito da un motore esterno, quindi il coefficiente di conversione per il Carnot il ciclo sarà simile a:

Kt \u1d TL/(TN-TL) + XNUMX \uXNUMXd TN/(TN-TL)

Principio di funzionamento della pompa di calore
Ris.1.1.2

Pertanto, nessuna pompa di calore può avere prestazioni migliori e tutti i cicli pratici realizzano solo il desiderio di avvicinarsi il più possibile a questo limite.

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