Värmepumpens uppbyggnad och funktion i olika delar

2.2.1 Kompressorn

Som det beskrivits i detta arbete behövs det utomstående driftenergi i värmepumpspro-cessen för att kunna höja temperaturen från ett lägre medium till ett högre medium. Kom-pressorn fungerar inte endast för att höja temperaturen i processen, utan även som en så

12

kallad ”cirkulationspump” och kompressorn får köldmediet att cirkulera runt i värme-pumpen. Kompressorn har till uppgift att öka trycket och temperaturen i värmevärme-pumpen.

Den upprätthåller tryckskillnaden mellan lågtrycksidan och högtryckssidan. Detta leder till att värmepumpen fungerar på rätt sätt och köldmediet förflyttas från förångaren till kondensorn. (Kylmätekniikan perusteet, 2021)

Kompressorn har flera uppgifter i processen. Före köldmediet når kompressorn, måste kompressorn suga bort ångan som bildats i förångaren, för att upprätthålla ett lågt tryck i förångaren. Detta låga tryck är viktigt för att förångaren kan fungera felfritt i värmepum-pen. Om trycket i förångaren stiger blir köldmediets energibehov för förångningsproces-sen högre och detta leder till en större förbrukning av värmekällan. När köldmediet sugits in till kompressorn ska den föras vidare till kondensorn. För att kondensation skall kunna ske i kondensorn bör kompressorn höja trycket på köldmediet. Detta beror på att trycket i kondensationens process är mycket högre än i förångningsprocessen. Kompressionen är beroende på kondenseringstemperaturen eller närmare sagt är det värmesystemets tempe-ratur som utser kompressionstempetempe-raturen. Kompressionens sluttempetempe-ratur blir alltid högre än kondensorns temperatur och detta beror på kompressorns isentropiska verk-ningsgrad. Desto sämre verkningsgrad i kompressorn, desto högre blir överhettningstem-peraturen. Överhettningsfasen är den fas då köldmediet endast är i gasform och är som varmast i värmepumpsprocessen. (Gebwell.fi, b, Kylmätekniikan perusteet, 2001)

I en ideal kompression sker ingen förlust i effektiviteten, vilket är omöjligt i praktiken och därför bli den isentropiska effektiviteten för en kompressor allt mellan 0,40–0,95.

Den isentropiska verkningsgraden för en kompressor är förhållandet mellan isentropiskt kompressionsarbete och ett verkligt kompressionsarbete. Ett isentropiskt kompressions-arbete är lika med en förlustfri kompressionen och då är den isentropiska effektiviteten lika med 1. Denna isentropiska verkningsgrad hos kompressorn är beroende på kompress-ionsförhållandet och när kompresskompress-ionsförhållandet är lägre blir den isentropiska verk-ningsgraden bättre. Kompressorns eleffektbehov påverkas av den isentropiska verknings-graden och när verkningsverknings-graden blir sämre ökar eleffektbehovet hos kompressorn. När cirkulationsprocessen har samma massflöde (kg/s) och den isentropiska effektiviteten är sämre i ena cirkulationsprocessen, ökar entalpin i värmepumpen efter kompressorn som

13

leder till ett högre eleffektbehov för kompressorn och en sämre verkningsgrad. (Schiff-mann & Favrat, 2009)

2.2.2 Värmeväxlare

Värmeväxlarens uppgift är att överföra energi från ett system till ett annat system utan att systemen är i kontakt med varandra. Överföringen sker genom konvektion, värmestrål-ning eller värmeledvärmestrål-ning. Värmeledvärmestrål-ningen sker alltid i värmeväxlaren då två medier i olika temperaturer cirkulera genom värmeväxlaren. Överföringen i en värmepump kan ske mellan en vätska och luft eller mellan vätskor. I värmepumpen är kondensorn och förång-aren värmeväxlare. (Ekocoil, 2016)

Värmeväxlarens dimensionering är viktig för att cirkulationsprocessen kan arbeta idealt.

Genom en under- eller överdimensionering av värmeväxlaren kan det uppkomma olika problem under värmeväxlarens livstid. En fel dimensionering av värmeväxlaren leder till högre investeringskostnader, högre energikostnader och också högre servicekostnader.

En korrekt dimensionerad värmeväxlare jobbar under en viss tryckförlust och flödeshas-tighet samt som en följd bidrar den till den största möjliga värmeöverföringsfaktorn för värmeväxlaren. En underdimensionerad värmeväxlare fungerar i början med för höga tryckförluster, vilket påverkar i sin tur på kompressorns effektbehov. En överdimension-erad värmeväxlare sänker flödeshastigheterna och därmed fortgår nedsmutsningen av värmeväxlaren när tryckförlusterna är för låga. Detta leder till att värmeväxlarens ytor blir snabbare smutsiga och därmed bidrar det till en sämre värmeöverföring. Flödeshas-tigheten bör vara tillräckligt hög i värmeväxlaren, för att ett turbulent flöde uppstår, i stället än laminärt, vilket då bromsar nedsmutsningen av värmeväxlaren. (Motiva.fi)

14 2.2.3 Kondensorn

Kondensorn är en värmeväxlare där köldmediet och värmesystemets medium inte kom-mer i kontakt med varandra. I kondensorn avges värmen som bildats i kompressionen och köldmediets fasändring sker från gasform till flytande form. Kondensorns viktigaste upp-gift är att distribuera värmen vidare från kompressorn till husets värmesystem. (Kyl-mätekniikan perusteet, 2021)

2.2.4 Förångaren

Förångaren är en värmeväxlare där köldmediet och värmekällan inte kommer i kontakt med varandra, utan en vägg skiljer dem från varandra. I förångaren är trycket och tempe-raturen som lägst i cirkulationsprocessen. När mediet kommer i kontakt med värmekällan, övergår köldmediet till gasform. Genom konvektion sker det värmeväxling mellan köld-mediet och värmekällan. I förångaren förångas köldköld-mediet i en låg temperatur på grund av köldmediets låga kokpunkt och förs vidare till kompressorn. (Kylmätekniikka, 1992)

2.2.5 Expansionsventil

Expansionsventilens viktigaste uppgift är att kontrollera flödet från kondensorn till för-ångaren i värmepumpsprocessen. I värmepumpen får det endast cirkulera den mängd köldmedium som kompressorn kan ta emot till kompressionen från förångaren. Om det förekommer mera köldmedium i vätskeform än vad kompressorn kan suga upp, kan det bildas vattendroppar i kompressorn. Vattendropparna kan förstöra till exempel vingarna i kompressorns impeller och det leder till en kortare livslängd för kompressorn. En annan viktig uppgift som expansionsventilen har, är att upprätthålla en tryckskillnad mellan ett högt tryck i kondensorn och ett lågt tryck i förångaren. Sammanfattningsvis är expans-ionsventilens uppgift att upprätthålla tryckskillnaden i cirkulationsprocessen medan kom-pressorn konstruerar tryckskillnaden i processen. (Kylmätekniikan perusteet, 2021)

15

Expansionsventilen kan vara elektroniskt eller manuellt styrd. En expansionsventil styrs oftast genom en temperaturgivare som mäter yttemperaturen i kompressorns sugrör, så att sugångans överhettning hålls konstant. Sättet går ut på att jämföra förångningstempe-raturen med yttempeförångningstempe-raturen i kompressorns sugrör och på det här sättet hålls sugångans överhettningstemperatur konstant. En elektronisk expansionsventil använder samma princip. Med en elektronisk expansionsventil blir kontrollen på systemet bättre och ex-pansionsventilen klarar bättre av att justera cirkulationsprocessen när belastningen i sy-stemet ändras. Den elektroniska expansionsventilen klarar bättre av överhettningen och därför behövs det en mindre yta i förångaren för överhettningen. (Kylmätekniikan pe-rusteet, 2021)

2.2.6 Köldmedium

Det idealiska köldmediet uppnås då en stor mängd värmeenergi flyttas i processen med ett lågt massflöde. En stor mängd värmeenergi överförs då köldmediet har goda termo-dynamiska egenskaper, därpå bör köldmediet också ha goda kemiska och fysiologiska egenskaper. Köldmedierna kan användas till både uppvärmning och kylning i en sluten process och därför passar de bra i en värmepumpsprocess. Köldmediets egenskaper spelar en stor roll i effektiviteten på värmepumpsprocessen. En hög effektivitet är möjlig när köldmediet ändrar fas från ångform till vätskeform. Köldmediet ändras till ångform när den mottar värmeenergi och när köldmediet kondenseras sker fasförändringen till vätske-form. Egenskaperna ändrar kontinuerligt beroende på kompressionsförhållandet och där-för har köldmediet aldrig samma termodynamiska egenskaper i cirkulationsprocessen.

(Kylmätekniikka, 1992)

Det som begränsar utvecklingen av ett köldmedium med ideala egenskaper är utsläppen till naturen. De köldmedium som används för tillfället har ett högt GWP-värde. Detta värde anger förmågan för en växthusgas att bidra till globala uppvärmningen och växthu-seffekten. Förutom GWP-värdet, anges ett ODP-värde för köldmedierna. ODP-värdet anger det relativa ozonnedbrytningsvärdet för köldmediet. (Akademiskahus.se, 2018)

16

Köldmedierna som används idag har ett benämningsnamn HFC. De här köldmedierna innehåller inte klor och är därför inte ozonnedbrytande. Tidigare fanns det två andra be-nämningar på köldmedier, nämligen CFC och HCFC. CFC köldmedierna innehåller klor, fluor och kol och den här typens köldmedier är sämst för naturen. CFC köldmedierna har en stor negativ inverkan på ozonlagret och rejäla växthusgasutsläpp. HCFC köldmedierna innehåller klor, fluor, kol och väte och den här typens köldmedier är inte lika skadliga för naturen som CFC köldmedier. HCFC köldmediernas inverkan på ozonlagret är mindre, medan växthusgasutsläppen uppgår till samma mängd som hos CFC köldmedierna. CFC köldmedier är helt förbjudna, medan HCFC är förbjudna i nya system och får inte påfyllas i gamla system som är i bruk. Till skillnad mot HFC har både CFC och HCFC ämnen som påverkar ozonlagret när de används, medan HFC köldmedier påverkar ozonlagret endast vid tillverkning (Miljöförbundet Blekinge Väst, 2010). Exempel på vanliga köld-medier som används i dagens värmepumpar är R410A, R407C och R134A. (Kylmätekni-ikan perusteet, 2021)