Podczas gdy energooszczędny propan jest wykorzystywany w niektórych zastosowaniach chłodniczych i klimatyzacyjnych, pompy ciepła nadal koncentrują się na wykorzystaniu HFC. Badacze z Instytutu Fraunhofera twierdzą, że wspólnie - w ramach konsorcjum - opracowali pompę ciepła, w którym zamiast fluorowęglowodorów stosuje się propan.

Propanowa pompa ciepła

Chociaż propan ma bardzo dobre właściwości termodynamiczne ma on wadę: jest łatwopalny. Z tego powodu stanowi wyzwanie w zastosowaniu w cyklu cieplnym. - Jeśli chcesz używać propanu, musisz ograniczyć ilość czynnika chłodniczego do jak najniższego poziomu, aby zmniejszyć ryzyko związane z bezpieczeństwem - przyznaje dr Lena Schnabel, kierownik działu techniki grzewczej i chłodniczej w Instytucie Fraunhofera.

W pompach ciepła używane są zwykle syntetyczne czynniki chłodnicze, zawierające szkodliwe dla środowiska fluorowane gazy cieplarniane (F-gazy). Zaprojektowanie pompy ciepła wykorzystującej propan oznacza urządzenie bardziej przyjazne dla klimatu i bardziej wydajne.

- Ogrzewanie i przgotowanie ciepłej wody stanowią około 40% zużycia energii w Niemczech. Spalanie paliw kopalnych takich jak gaz ziemny czy ropa naftowa, nie tylko nie ma sensu energetycznie, ale także szkodzi klimatowi. Każda jednostka energii elektrycznej potrzebna do obsługi pompy ciepła, pochodzącej często ze źródeł odnawialnych, generuje od trzech do pięciu jednostek energii cieplnej neutralnej CO2. To sprawia, że ​​pompy ciepła są ważnym elementem wdrażania przejścia Niemiec do zrównoważonego systemu energetycznego - mówi dr Marek Miara, koordynator prac nad pompami ciepła w Instytucie Fraunhofera we Freiburgu.

Pompa ciepła - jak to działa

Pompa ciepła działa w podobny sposób jak lodówka. Czynnik chłodniczy absorbuje ciepło wewnątrz lodówki i transportuje je na zewnątrz. Różnica polega na tym, że ciepło pozostawiane do swobodnego ucieczki z tylnej części lodówki jest tym, co pompa ciepła wydobywa - w tym przypadku z ziemi, wód gruntowych lub powietrza z otoczenia - w celu ogrzania naszych domów lub wody.

Aby to osiągnąć, podgrzany, odparowany czynnik chłodniczy jest sprężany, co podnosi jego temperaturę i ciśnienie. Gorący gaz chłodniczy uwalnia ciepło do wody i skrapla się. Ciepła woda wpływa do systemów ogrzewania podłogowego, kaloryferów lub zasobników ciepłej wody, a ciekły czynnik chłodniczy, teraz chłodny, przepływa z powrotem do tak zwanego parownika, gdzie ponownie pochłania energię cieplną. Cykl rozpoczyna się ponownie od początku.

Propan jako czynnik ekologiczny

W przeważającej części czynniki chłodnicze składają się z mieszaniny substancji syntetycznych zawierających szkodliwe dla środowiska fluorowane gazy cieplarniane (F-gazy). W czerwcu 2014 roku Komisja Europejska ogłosiła, że ​​F-gazy zostaną wycofane z rynku. Jedną z przyjaznych dla środowiska, naturalną alternatywą dla syntetycznych czynników chłodniczych jest propan, który już zyskuje na popularności w systemach klimatyzacyjnych i chłodniczych. Ale jego zastosowanie w pompach ciepła jest wciąż stosunkowo nowe.

Propan ma doskonałe właściwości termodynamiczne i jest wysoce łatwopalny, co stanowi wyzwanie przy stosowaniu w cyklu cieplnym.
- Jeśli chcesz używać propanu, musisz utrzymywać możliwie najniższy poziom czynnika chłodniczego, aby zminimalizować związane z tym ryzyko - mówi dr Lena Schnabel, kierująca działem technologii ogrzewnictwa i chłodnictwa w Instytucie Fraunhofera.

Bioniczna struktura zapewnia równomierną wymianę

Rozwiązaniem dla naukowców z Freiburga, wraz z ich europejskimi partnerami w zakresie tych badań, jest zastosowanie bardzo kompaktowych, lutowanych, żebrowanych wymienników ciepła, które dobrze współpracują z niewielkimi objętościami cieczy. Energia cieplna jest przenoszona z jednej przepływającej substancji na drugą za pośrednictwem wymienników ciepła. Składają się one z licznych równoległych kanałów zawierających cyrkulujący czynnik chłodniczy, które albo pochłaniają ciepło (znane jako "odparowywacze"), albo wypromieniowują je ("skraplacze"). - Ciecz powinna całkowicie odparować lub zregenerować się na całej długości. Aby zagwarantować, że działają sprawnie, stosunek para-ciecz musi być identyczny we wszystkich kanałach. Zasadniczo nie jest to łatwe do osiągnięcia i staje się szczególnie trudne, jeśli próbujesz ograniczyć objętość czynnika chłodniczego. - mówi dr Schnabel.

Aby rozwiązać problem, Schnabel i jej zespół opracowali wymiennik o bionicznej strukturze: - Konwencjonalne wymienniki Venturi wyglądają jak spaghetti - wykonane są z wielu cienkich rur, które łączą się w miejscu, w którym spotykają się z parownikiem. Nasz wymiennik jest inny: ma ciągle rozgałęzioną strukturę, taką jak gałęzie i gałązki drzewa, które zapewniają równomierne rozprowadzenie czynnika chłodniczego do poszczególnych kanałów parownika, nawet przy niewielkiej ilości czynnika chłodniczego. - Ta struktura pozwala na optymalne wykorzystanie całego powierzchnia wymiennika ciepła, co poprawia wydajność. - mówi dr Schnabel.

Sprężarka do zadań specjalnych

Aby zredukować ryzyko wybuchu podczas sprężania propanu, Schnabel i jej zespół użyli wyspecjalizowanej sprężarki, w której wszystkie źródła zapłonu zostały obudowane. Bardzo starannie połączyli poszczególne elementy pompy, aby zapobiec ucieczce propanu. "- Aktualniee modyfikujemy projekt techniczny pompy ciepła, testujemy długoterminowe zachowanie jej komponentów i opracowujemy strategie zrównoważonego bezpieczeństwa - mówi dr Schnabel.

 

Źródło: www.fraunhofer.de 

Fot. Fraunhofer ISE, Nowo opracowany wymiennik pomp ciepła czerpie inspirację z rozgałęziających się gałęzi drzewa.