Kompresory v tepelných čerpadlách: Konštrukcia, vlastnosti, typy a teória

Kompresory sú kľúčovou súčasťou každého (bežného) tepelného čerpadla, keďže zohrávajú nevyhnutnú úlohu pri premene tepelnej energie na použiteľnú formu pre vykurovacie a chladiace systémy. Vďaka schopnosti stláčať plynné médium zvyšujú tlak a teplotu chladiacej látky, čím umožňujú efektívnu výmenu tepla medzi rôznymi časťami systému. Poďme sa pozrieť na ich vlastnosti, konštrukciu, typy, výkony a fyzikálne zákony, ktoré sa pri ich fungovaní uplatňujú. Existujú aj špeciálne tepelné čerpadlá a chladiace systémy bez kompresorov, tým venujeme krátku pasáž na konci tohto článku.

Kompresor je mechanické zariadenie, ktoré slúži na zvyšovanie tlaku plynov tým, že ich stláča na menší objem. V tepelných čerpadlách má kľúčovú úlohu, pretože zvyšuje tlak a teplotu pracovného média (chladiaceho plynu), čo umožňuje prenos tepla z jedného miesta na druhé. Kompresory sa využívajú v mnohých priemyselných odvetviach vrátane klimatizácií, chladenia a vykurovania.

V tepelnej technike kompresor nasáva chladivo vo forme pary s nízkym tlakom, stláča ho na vyšší tlak, čím dochádza aj k zvýšeniu teploty plynu. Tento horúci plyn následne odovzdáva teplo do okolitého prostredia (napríklad cez kondenzátor) a prechádza do tekutého stavu. Kompresor pracuje na princípoch fyzikálnych zákonov plynov, ako sú Boyleov a Charlesov zákon, a využíva (najčastejšie) elektrickú energiu na pohon svojich mechanických častí.

Vlastnosti a konštrukcia kompresorov

Kompresory sú mechanické zariadenia navrhnuté na stláčanie pracovného média (zvyčajne chladiaceho plynu), čím zvyšujú jeho tlak a teplotu. Vo väčšine tepelných čerpadiel sa používajú elektricky poháňané kompresory.

Ich základné vlastnosti sú:

• Efektivita: Závisí na konštrukcii, type chladiaceho média a technologických riešeniach.
• Prevádzkový tlak: Kompresory musia odolávať vysokým prevádzkovým tlakom, čo vyžaduje kvalitné materiály a robustnú konštrukciu.
• Spoľahlivosť a životnosť: Moderné kompresory v tepelných čerpadlách sú navrhnuté tak, aby vydržali viac ako 15 rokov prevádzky.

Kompresory sú obvykle vybavené (najčastejšie elektro) motorom, ktorý poháňa mechanický stláčací mechanizmus, pričom celé zariadenie je uzavreté v kompresorovej skrinke, aby sa zamedzilo únikom chladiaceho média, takto skonštruovaný kompresor sa nazýva "hermetický", v praxi sa tiež používajú takzvané "polohermetické" kompresory.

Typy kompresorov podľa mechanizmu stláčania chladiva

V tepelných čerpadlách sa používajú rôzne typy kompresorov, ktoré sa líšia svojou technológiou a efektivitou:

Piestové (recipročné) kompresory: 

Najstaršia a najbežnejšia technológia, nie však v tepelných čerpadlách. Pracujú na princípe pohybu piesta vo valci (podobne ako spaľovacie motory), ktorý stláča chladiace médium. Výhodou je robustnosť, servisovateľnosť a z toho plynúca dlhá životnosť, nevýhodou je vyššia hlučnosť a nižšia efektivita v porovnaní s novšími technológiami.

Rotačné kompresory:

Používajú rotujúce časti (najčastejšie kotúč alebo lamely), ktoré stláčajú médium. Tieto kompresory sú tichšie a efektívnejšie než piestové, preto sa často používajú v domácich tepelných čerpadlách.

Scroll (špirálové) kompresory:

Fungujú na princípe dvoch špirál, pričom jedna je pevná a druhá rotuje. Tým dochádza k plynulému stláčaniu chladiaceho média. Tieto kompresory sú veľmi tiché, efektívne a spoľahlivé, preto sa stali jednými z najpoužívanejších v moderných tepelných čerpadlách.

Špirálové aj rotačné dvojstupňové (hypoteticky aj viacstupňové) kompresory:

Vhodné pre systémy, kde sa vyžaduje vysoká flexibilita v prevádzke. Umožňujú prevádzku pri rôznych výkonových režimoch, čím zlepšujú efektivitu v rôznych teplotných podmienkach.

Výkon kompresorov

Výkon kompresora v tepelnom čerpadle sa udáva v kilowattoch (kW) a závisí od množstva stlačeného plynu za jednotku času, ale aj od účinnosti samotného zariadenia. V moderných tepelných čerpadlách je kľúčovým faktorom COP (Coefficient of Performance = koeficient účinnosti), ktorý udáva pomer medzi vyrobeným teplom a spotrebovanou energiou.

Vyššia efektivita kompresora vedie k lepšiemu COP, čo znamená, že tepelné čerpadlo dokáže dodávať viac tepla na jednotku spotrebovanej energie.

Fyzikálne zákony aplikované v kompresoroch

Kompresory využívajú základné princípy termodynamiky a mechaniky tekutín. Kľúčové zákony zahŕňajú:

Prvý zákon termodynamiky (zákon zachovania energie): Udáva, že celková energia v systéme sa nemení, ale môže sa transformovať medzi rôznymi formami – napríklad teplo sa premieňa na prácu. V prípade kompresora sa energia dodaná v podobe elektriny premieňa na mechanickú prácu, ktorá stláča chladiace médium a tým zvyšuje jeho vnútornú energiu (teplotu). 

Chladenie kompresora tepelného čerpadla chladivom je zásadný proces, ktorý zabezpečuje správne fungovanie a predlžuje životnosť kompresora. Kompresor je pri svojej činnosti vystavený vysokým teplotám, pretože stláča chladivo na vysoký tlak, čo spôsobuje jeho zahrievanie. Na ochladenie kompresora sa často využíva samotné chladivo, ktoré pred stlačením nasáva kompresor v plynnom stave. Tento proces sa nazýva "interné chladenie chladivom". Chladivo nasaté pri nižšej teplote prúdi okolo vinutia elektromotora, odoberá teplo z kompresora a tým ho ochladzuje. Pri prechode cez kondenzátor toto chladivo následne odovzdáva takto získané teplo vykurovacej sústave, alebo v režime chladenia odovzdá prebytočné teplo vonkajšiemu prostrediu.

Niektoré systémy tiež používajú externé chladiace mechanizmy, napríklad vzduchom alebo kvapalinou, na chladenie kompresora, aby sa zabezpečilo efektívnejšie odvádzanie tepla, ktoré vzniká počas prevádzky.

Premena elektrickej energie na teplo v tepelnom čerpadle

Tepelné čerpadlo funguje na princípe prenosu tepla z jedného miesta na druhé, pričom elektrická energia je využívaná na pohon kompresora. Kompresor zohráva kľúčovú úlohu pri premene elektrickej energie na tepelnú energiu, ktorá je potom využitá v kúrení. Proces sa dá zjednodušene vysvetliť takto:

1. Elektrická energia poháňa kompresor, ktorý nasáva studené chladivo prúdiace / prichádzajúce z výparníka a stláča chladivo. Pri prúdení okolo vinutia elektromotora, odoberá teplo z kompresora ktoré vzniklo ako "odpadové teplo" premenou tej časti elektrickej energie ktorá sa nespotrebovala na prácu. Pri stlačení sa chladivo zahrieva a prechádza do stavu s vysokou teplotou a tlakom.

2. Horúce chladivo prechádza kondenzátorom, kde odovzdáva teplo do vykurovacieho systému. V tomto bode odovzdáva tepelné čerpadlo do vykurovacej sústavy tepelnú energiu ktorú tvorí súčet tepelnej energie získanej vo výparníku a tej ktorú získalo z vinutia a ďalších častí kompresora produkujúcich teplo, napríklad trením rotačných častí a podobne. Celé toto teplo sa potom využíva na vykurovanie domácnosti alebo ohrev vody.

3. Po odovzdaní tepla sa chladivo ochladí a premení na kvapalný stav. Tento cyklus sa opakuje, pričom kompresor neustále premieňa energiu dodanú elektrinou na mechanickú prácu, ktorá vedie k efektívnej výrobe tepla.

Výhoda tepelného čerpadla je v tom, že dokáže vyprodukovať niekoľkonásobne viac tepla, než koľko spotrebuje elektrickej energie. Táto účinnosť je meraná koeficientom výkonu (COP), ktorý často dosahuje hodnoty približne 3 až 8. To znamená, že za každý kW elektrickej energie, ktorú systém spotrebuje, dokáže vyprodukovať 3 až 8 kW tepla. Najvyššie účinnosti a teda aj hodnotu COP dosahujú kompresory pri čiastočnej záťaži v "odľahčenom" režime prevádzky ktorý sa bežne dosahuje pri kompresoroch s možnosťou regulácie a zmeny výkonu. Na zmenu výkonu kompresora sa používa najbežnejšie inverterová technológia, alebo jednoducho po slovensky: frekvenčný menič, ktorý mení charakteristiky elektrického napájania kompresora, štandardne frekvenciu (Hz) avšak niekedy aj napätie a tým aj samozrejme prúd.

Aby kompresor správne fungoval a neprehrial sa, musí byť tiež účinne chladený.

Desuperheater - malý technologický zázrak a geniálny doplnok tepelného čerpadla

Desuperheater je zariadenie, ktoré sa často používa v systémoch tepelných čerpadiel na zvýšenie efektivity využitia tepla. Po prechode cez kompresor je chladivo veľmi horúce (nazýva sa superheated vapor), čo znamená, že jeho teplota je vyššia než kondenzácia. Desuperheater zachytáva časť tejto "nadbytočnej" teploty z chladiva predtým, než vstúpi do kondenzátora, a umožňuje jej využitie na iné účely, napríklad na ohrev teplej vody v domácnosti.

Fungovanie desuperheateru umožňuje niekoľko výhod:

1. Efektivita využitia tepla: Umožňuje získať teplo, ktoré by inak bolo stratené, a tým zvýšiť celkovú energetickú efektivitu tepelného čerpadla.
2. Ohrev teplej vody: Tento nadbytočný tepelný výkon sa často používa na ohrev úžitkovej vody, čo znamená, že systém tepelného čerpadla môže okrem vykurovania domácnosti poskytovať aj teplú vodu, čím sa znižujú náklady na ohrev vody.

Ako fungujú spolu?

Kombinácia kompresora a desuperheateru znamená, že tepelné čerpadlo nielen poskytuje teplo na vykurovanie/chladenie, ale zároveň optimalizuje využitie energie, ktorá by inak bola zbytočne stratená. Tento proces maximalizuje efektívnosť systému, čím sa dosahuje nižšia spotreba energie a vyšší komfort pre užívateľov.

Záver

Kompresory v tepelných čerpadlách sú (až na výnimky ktorým sa venujeme v bonusovej časti nižšie) neoddeliteľnou súčasťou ich funkčnosti a efektivity. Rozdielne typy kompresorov ponúkajú rôzne výkony, spoľahlivosť a energetickú efektivitu. Ich fungovanie je založené na základných fyzikálnych princípoch termodynamiky a zákonoch plynov. Vďaka inováciám v technológiách, ako sú dvojstupňové špirálové kompresory, sa moderné tepelné čerpadlá stávajú čoraz efektívnejšími a ekologickejšími riešeniami pre vykurovanie a chladenie.

Bonus - zaujímavosť

Tepelné čerpadlá bez kompresora - kapitola sama o sebe...

Tepelné čerpadlá bez kompresora sú neobvyklé, pretože kompresor je jednou z najdôležitejších súčastí tradičného tepelného čerpadla. Je zodpovedný za stláčanie pracovného média (chladiaceho plynu) a jeho zahrievanie, čím umožňuje prenos tepla z prostredia do vykurovacieho systému alebo opačne.

Existuje však alternatívna technológia, ktorá sa občas spomína v tomto kontexte a samozrejme aj aktívne využíva v tepelných čerpadlách bez kompresora – známych ako "adsorpčné" alebo "absorpčné" tepelné čerpadlá. Tieto systémy nevyužívajú mechanický kompresor, ale fungujú na chemických alebo fyzikálnych reakciách. Namiesto stlačovania chladiaceho média mechanickým spôsobom využívajú zmenu teploty pri absorpcii či adsorpcii plynov do tuhých alebo kvapalných látok. Bežne sa využívajú priemyselne, napríklad pri využívaní odpadového tepla alebo slnečnej energie.

Absorpčné tepelné čerpadlá:

- Využívajú kvapalné absorbenty (napríklad roztok vody a amoniaku alebo vody a bromidu lítneho).
- Nemajú klasický mechanický kompresor, ale využívajú absorpciu plynov pri rôznych teplotách a ich následné zahustenie a regeneráciu tepla.
- Energia na pohon pochádza z externého tepelného zdroja (ako je napríklad slnečná energia alebo priemyselné odpadové teplo).

Adsorpčné tepelné čerpadlá:

- Namiesto absorbentov používajú adsorbenty (napríklad zeolit alebo silikagél), ktoré adsorbujú chladiace médium a následne ho uvoľňujú.
- Energia je dodávaná na proces desorpcie a ďalšiu regeneráciu adsorbenta, čím dochádza k zníženiu potreby mechanickej kompresie.

Tieto technológie majú menej pohyblivých častí a môžu byť efektívne pri využívaní určitého typu nízkopotenciálového tepla, ale ich rozšírenie v domácnostiach je zatiaľ menej časté v porovnaní s bežnými kompresorovými tepelnými čerpadlami.

Záverom, väčšina bežne dostupných tepelných čerpadiel na trhu dnes používa kompresory kvôli ich efektivite a spoľahlivosti, ale existujú alternatívne riešenia bez kompresora, najmä vo väčších priemyselných aplikáciách alebo špecifických systémoch, ktoré využívajú iné princípy na prenos tepla.