Toplotna črpalka

Toplotna črpalka je v principu podobna kompresijski hladilni napravi in ima tudi enake sestavne elemente: kompresor, kondenzator, dušilni ventil in uparjalnik. Razlika je v tem, da hladilna naprava z uparjanjem hladilnega sredstva odvaja toploto iz prostora, to je znižuje temperaturo, medtem ko toplotna črpalka s kondenzacijo delovnega sredstva dovaja toploto v prostor. Pri tem izkoriščamo pojav, da se tekočine pri visokem tlaku uparjajo pri višji temperaturi, kot pa je temperatura uparjanja pri nižjem tlaku. V sliki 1 sta med seboj povezana dva prostora s posodo, ki je izoblikovana kot zapora. V levem prostoru je atmosferski tlak (1013,25 mbar), v desnem pa nižji tlak (133,32 mbar).


Če dovajamo toploto določeni količini vode v desnem prostoru, bo ta vrela že pri temperaturi, ki je nižja od 100 °C. Če premaknemo posodo s tako nastalo paro (slika 1) v levi prostor, bo para pri višjem tlaku v tem prostoru kondenzirala in pri tem oddajala toploto. Torej moramo pri nižjem tlaku porabiti toploto ter potem opraviti delo (premik proti višjem tlaku), da bi končno dobili povrnjen velik del uporabljene toplote.

Pri toplotni črpalki se pri nižjem tlaku v uparjalniku upari tekoča delovna snov, freon ali amoniak. V ta namen potrebno toploto lahko odvzamemo različnim izvirom. Za manjšo napravo zadošča na primer že, če položimo uparjalnik v zemljo. V njej je v vseh letnih časih dovolj toplote, da upari delovno sredstvo. Drugo primerno sredstvo, ki oddaja toploto, je voda, pa tudi zrak lahko uporabimo za itvor potrebne toplote. Delo premika z nižjega na višji tlak opravi kompresor.


Kompresor sesa paro in jo komprimira na želeni višji tlak. V kondenzatorju, ki je nameščenza kompresorjem se ob odvajanju toplote pri višjem tlaku para utekočini. Pri tem jo vodimo skozi cevi, ki jih od zunaj obliva voda. Para oddaja svojo toploto vodi in pri tem kondenzira. Hladilna voda se lahko na ta način segreje na 60....70 °C in jo lahko uporabimo kot nosilca toplote za toplovodno gretje. Hladi se v radiatorjih in se vrača v kondenzator, kjer jo ponovno segreva.


Kondenzator toplotne črpalke nadomešča torej kotel naprave za toplovodno gretje. Utekočinjena para v sistemu ekspandira skozi ventil na nižji tlak in se v uparjalniku ponovno upari. Iz tega krožnega sistema lahko vidimo, da se nosilec toplote s kompresorjem prečrpava z nižje temperature (na primer s temperature pretočne vode 10 °C) na višjo temperaturo (približno na temperaturo toplovodnega ogrevanja). Pri tem prenesemo toplotno energijo z nižjega na višji nivo tako, da poteka proces kondenzacije in uparjanja pri različnih tlakih).

Potrebno delo opravi kompresor. Grelne naprave tega tipa so gospodarne tam, kjer je električni tok za pogon kompresorja poceni. Nameščene so tudi v takšnih stavbah, kjer je potrebno gretje in hlajenje. V mlekarnah na primer kletne prostore z odvajanjem toplote v uparjalnikih ohlajamo, zgornje prostore pa z odvajanjem toplote v uparjalniku ohlajamo, zgornje prostore pa z odvajanjem toplote v kondenzatorju grejemo.