În această postare pe blog, vom examina modul în care un aparat de aer condiționat transferă căldura din interior în exterior și vom explora principiul de funcționare al pompei de căldură care face acest lucru posibil.
Imaginează-ți o zi toridă de vară: mergi într-un metrou aglomerat, treci pe lângă asfaltul arzător și, în sfârșit, intri într-un birou sau într-o sală de clasă unde aparatul de aer condiționat funcționează la maxim. În momentul în care ești întâmpinat de aer răcoros și revigorant care îți răcorește corpul îmbibat de transpirație, aparatul de aer condiționat devine o prezență cu adevărat binevenită. Puțin mai târziu, odată ce te-ai răcorit suficient și ai un moment de gândire, hai să aruncăm o privire mai atentă asupra aparatului de aer condiționat care ne-a oferit acel aer răcoritor. Cum anume reușește un aparat de aer condiționat să ofere aer rece? Unde s-a dus toată căldura din corpul meu și din birou sau din sala de clasă? Înțelegerea principiului unei pompe de căldură clarifică răspunsul.
Principiul unei pompe de căldură este mai ușor de înțeles în comparație cu cel al unei pompe de apă, cu care suntem cu toții familiarizați. În primul rând, toată lumea știe că apa curge, în general, dintr-un loc mai înalt într-un loc mai jos. Cu toate acestea, putem folosi o pompă de apă pentru a extrage apa de jos în sus, la un nivel superior. În mod similar, căldura tinde, în general, să curgă din zonele cu temperatură mai ridicată către zonele cu temperatură mai scăzută. Cu toate acestea, utilizând o pompă de căldură, putem inversa această direcție naturală a fluxului de căldură și transfera căldura dintr-o zonă cu temperatură mai scăzută într-o zonă cu temperatură mai ridicată. Aparatele de aer condiționat utilizează chiar acest principiu al pompelor de căldură pentru a menține o temperatură interioară rece prin extragerea continuă a căldurii din mediul interior relativ mai rece și transferarea acesteia către mediul exterior mai cald.
Un aparat de aer condiționat poate fi considerat o pompă de căldură mare; este compus fundamental din componentele principale ale unei pompe de căldură: un compresor, un condensator, o supapă de expansiune și un evaporator. Printre aceste componente, condensatorul și evaporatorul funcționează ca schimbătoare de căldură în unitățile exterioare și interioare, respectiv, în timp ce celelalte componente - inclusiv compresorul și supapa de expansiune - reglează circulația agentului frigorific. Toate componentele sunt conectate prin țevi, prin care agentul frigorific circulă continuu. Agentul frigorific acționează ca mediu pentru transferul de căldură; în timp ce agenții frigorifici pe bază de freon au fost utilizați pe scară largă în trecut, aparatele de aer condiționat și pompele de căldură moderne utilizează diverși agenți frigorifici - cum ar fi R-32, R-410A și R-454B - în funcție de unitatea specifică și de utilizarea preconizată. În timpul procesului de circulație, proprietățile chimice ale agentului frigorific rămân în mare parte neschimbate; alternează între starea lichidă și cea gazoasă în funcție de presiune și temperatură, transferând astfel căldura din interior în exterior.
Pompele de căldură utilizează capacitatea agentului frigorific de a trece de la starea gazoasă la cea lichidă în funcție de presiune și temperatură pentru a transfera căldură dintr-o locație în alta prin eliberarea căldurii în exterior în timpul procesului de condensare și absorbția căldurii în timpul procesului de evaporare. Această proprietate a agentului frigorific - vaporizarea sau lichefierea în funcție de presiune - poate fi ușor înțeleasă imaginându-ne o sală de clasă de gimnaziu sau liceu. Dacă ne gândim la elevii din clasă ca la agentul frigorific, atunci când este prezentă „presiunea” profesorului, elevii nu se pot mișca liber și nu se pot îndepărta prea mult de locurile lor. Cu alte cuvinte, aceasta seamănă cu starea lichidă, unde mișcarea particulelor este restricționată și acestea sunt grupate strâns una lângă alta. Pe de altă parte, atunci când „profesorul” - reprezentând presiunea - părăsește sala de clasă, adică atunci când presiunea scade, copiii se mișcă liber, părăsindu-și locurile și hoinărind. Această analogie ajută la ilustrarea stării gazoase, în care moleculele se mișcă activ.
Acum, că înțelegem cum se lichefiază sau se vaporizează agentul frigorific în funcție de presiune, haideți să examinăm cum are loc acest proces în interiorul unui aparat de aer condiționat, urmărind circulația agentului frigorific. Deoarece agentul frigorific circulă continuu, rezultatul este același indiferent de cu care dintre cele patru componente începem; totuși, pentru comoditate, să începem cu compresorul. Mai întâi, agentul frigorific intră în compresor într-o stare gazoasă de joasă presiune. Compresorul folosește apoi energie electrică pentru a converti agentul frigorific gazos de joasă presiune într-o stare gazoasă de înaltă presiune. În timpul acestui proces, atât presiunea, cât și temperatura agentului frigorific cresc. Agentul frigorific, acum într-o stare gazoasă de înaltă temperatură și presiune, se deplasează spre condensator, unde se condensează într-un lichid, eliberând în același timp căldură la o temperatură mai mare decât cea a aerului exterior. În timpul acestui proces, agentul frigorific eliberează căldură în exterior; ca urmare, prin procesele continue de compresie și condensare, acesta eliberează în exterior căldura extrasă din spațiul interior și căldura corespunzătoare energiei furnizate compresorului.
După eliberarea căldurii prin procesul descris mai sus, agentul frigorific devine un lichid de înaltă presiune. Apoi trece printr-o supapă de expansiune, care reduce presiunea agentului frigorific - opusul a ceea ce face compresorul. Pe măsură ce agentul frigorific trece prin supapa de expansiune, presiunea și temperatura acestuia scad, aducându-l la o stare de temperatură și presiune joasă. O parte din acesta intră în evaporator într-un amestec de lichid și gaz parțial vaporizat. Ulterior, pe măsură ce agentul frigorific se evaporă în evaporatorul situat în interior, acesta absoarbe căldură din cameră și intră din nou în compresor într-o stare gazoasă de joasă presiune. Deoarece căldura necesară pentru evaporarea agentului frigorific este absorbită din aerul interior, căldura este eliminată din cameră, iar camera se răcește. Agentul frigorific, după ce a absorbit căldura din spațiul interior prin procesele de expansiune și evaporare, revine la o stare gazoasă de joasă presiune și intră în compresor - prima etapă a ciclului. Pe scurt, în cadrul pompei de căldură, agentul frigorific eliberează căldură în exterior prin compresie și condensare și absoarbe căldură din cameră prin expansiune și evaporare. Prin repetarea continuă a acestui ciclu, pompa de căldură își atinge în cele din urmă scopul de a transfera căldura din cameră în exterior. În cazul unui aparat de aer condiționat, deoarece acest ciclu al pompei de căldură este utilizat pentru a răci camera, este în general denumit ciclu de răcire. În schimb, atunci când direcția fluxului de agent frigorific în interiorul pompei de căldură este inversată, rolurile evaporatorului și condensatorului din interiorul și exteriorul clădirii sunt inversate. În acest caz, pompa de căldură absoarbe căldura din exterior și o transferă în interior; deoarece pompa de căldură încălzește interiorul, acest lucru poate fi utilizat ca ciclu de încălzire. Cu alte cuvinte, prin inversarea direcției fluxului de agent frigorific, o singură pompă de căldură poate fi utilizată atât pentru răcire, cât și pentru încălzire, iar acest principiu poate fi observat în aparatele de aer condiționat și sistemele de pompe de căldură care combină funcțiile de răcire și încălzire.
