Termodynamik

Processen

Detta är en ganska så komplicerad termodynamisk process som kräver en del komponenter för att vi ska lyckas utvinna energi på en plats och lämna av den någon annanstans. Tänk alltså att en luftvärmepump kan ta energi utomhus trots att det kan vara -25 grader Celsius. Den energin vi tar kan vi alltså värma vårt hus med mitt i iskalla vintern. Vi ska gå igenom kortfattat hur denna process går till:

För att vi ska kunna utvinna energi eller Uppta energi som det kallas. När det är väldigt kallt ute så behöver vi ha en maskin med ett köldmedium som har möjlighet att Uppta energi vid väldigt låga temperaturer.  Det finns ju energi i alla typer av medier, mer i vissa och mindre i andra. Givetvis är det mindre energi i uteluften när det är riktigt kallt ute jämfört med när det är varmt ute. Precis som att varmt vatten innehåller mer energi än kallt vatten osv. Om vi ska kunna ta energi från en plats som redan är väldigt kall så måste vi se till att våran värmeväxlare som vi sätter där vi vill ta energin är ännu kallare. För det kommer ju att leda till att luften ändå trots allt kommer att försöka värma upp den kalla värmeväxlaren lite. Då kommer köldmediet i växlaren att öka i temperatur och på det sättet ta energi från exempelvis uteluften. MEN det är ju bara några få grader som vi kan ta där och det räcker ju inte för att värma ett helt hus givetvis utan vi måste också bygga upp ett högt tryck igen efter att vi tagit lite energi från uteluften för då kommer det att utvecklas värme med hjälp av trycket när vi komprimerar köldmediet. Ska vi kunna avge någon värme till ett hus så måste vi ju lyckas bygga upp trycket så pass mycket att värmeväxlare som sitter inomhus istället blir varmare än sin omgivning för då kommer den värmen att kunna värma rummet. (Tänk dig ett el element, inte ger det någon värme till ett rum om inte elementet är varmare än rummet).

Kompressionen

Det är alltså när vi komprimerar köldmediet igen efter att vi upptagit energi i värmeväxlaren som själva mediet blir riktigt varmt. Men problemet är att man kan inte komprimera ihop något som är i vätskeform särskilt mycket. Eller rättare sagt det går bara inte att trycka ihop det mer än vad som redan är gjort och då kan det inte utvecklas någon värme. Så innan kompressorn måste köldmediet ha blivit till gas som såklart är mycket enklare att komprimera.

Och det är ju precis det som händer i värmeväxlaren utomhus som skulle ta energi från luften, när vi tar energi och börjar värma upp ett medium, oavsett om det är köldmedium eller vatten eller någon annan vätska så är det ju så att vätska som vi värmer upp förr eller senare börjar koka och bli till gas. Det dumma med vatten är ju dock att det måste hinna bli ordentligt varmt innan det blir ånga/gas. Medans köldmediet faktiskt inte kräver mycket alls för att börja koka och bli till gas, det går superfort och det sker på väldigt låga temperaturer eftersom mediets kokpunkt är väldigt mycket lägre än vattnets kokpunkt.

Kokpunkten på köldmediet

Om det är atmosfärstryck så kokar vatten vid 100 grader C, men vi har ju möjlighet att få vatten att koka tidigare eller senare än så genom att minska eller öka trycket. Köldmedier har en mycket lägre kokpunkt än vatten vid atmosfärstryck vilket gör att de kan ta energi genom att börja koka trots att det är väldigt kallt. Till exempel så kokar vissa köldmedium på -50 grader C.

Vi känner ju till att det går åt energi för att få någonting att börja koka. Den energin som går åt förstörs ju inte utan det absorberas i mediet som kokar och kan transporteras vidare i ett slutet system så att vi kan lämna ifrån eller Avge energin någon annanstans. Tänk dig en kastrull med kallvatten på en spis, det vattnet innehåller ju en liten mängd energi men ju varmare vattnet blir desto mer energi innehåller det. Tillslut börjar det koka och energin i vattnet tar sig iväg från kastrullen i form av ånga som innehåller väldigt stora mängder energi. Så om vi kan använda energi från uteluften för att få köldmedium att börja koka så kan vi transportera den energin till en annan plats som kanske behöver värmen bättre. Ett hus mitt i vintern till exempel.

Viktigt att tänka på är att den enda chansen att få någonting att stjäla värme från sin omgivning är att se till att omgivningen är varmare. Till exempel spisplattan är varmare än kastrullen och då värms vattnet upp av energin. Men precis lika måste det vara i en värmepump. Om en luftvärmepump ska kunna ta energi från uteluften så måste luften vara varmare än värmepumpens utedel. Om det då är vinter och väldigt kallt ute så måste värmepumpens kompressor förändra trycket så pass mycket att temperaturen/kokpunkten på köldmediet sjunker ännu lägre. Då kommer den luft som hela tiden sugs in i utedelen att värma upp utedelens kalla värmeväxlare där det finns köldmedium som helt plötsligt kan börja koka (eftersom kokpunkten är så låg på mediet). Då Upptar vi energin och vi kommer nu kunna transportera in det i huset för att få värme.

Här i bilden så ser man hur kall uteluft sugs in i utedelen. Eftersom vi har sänkt trycket i kretsen så är värmeväxlaren (utedelen) ännu kallare än sin omgivning. När luften sugs in och träffar lamellerna så värms lamellerna upp och köldmediet där inne upptar värmen och övergår i gasform (När vi värmer upp något så börjar mediet att byta form från vätska till gas, precis som vatten som vi kokar på en spis). Den luft som sen lämnar utedelen är ännu kallare än innan eftersom lite av värmen som fanns i luften gick åt för att få köldmedievätskan att börja koka och övergå i gasform så att den kan transporteras vidare till kompressorn.

Ett element eller en värmeväxlare måste vara varm för att kunna ge värme till ett hus. Men den värmen vi precis har tagit upp i utedelen är ju inte tillräckligt varm än för att värmeväxlaren inne ska bli varmare än rummet den sitter i. För att detta ska kunna ske så måste kompressorn pressa ihop gasen kraftigt och när detta görs så blir gasen dessutom väldigt varm, det kan vi ta tillvara på och skicka in den varma gasen till innedelen. I bilden så kan vi se att rumstempererad luft sugs in genom filtret ovanpå innedelen och blåses sedan ut som mycket varmare. Eftersom värmeväxlaren i innedelen är mycket varmare än rummet på grund av den heta gasen som vi skickar in. Nu avger vi värme från innedelen genom att blåsa ut den i rummen. Då tappar den varma gasen sin temperatur och då bildas det kondensdroppar inne i rören så att gasen övergår till vätskeform igen (Varm ånga som vi kyler ner bildar kondens/vätska, tänk på vattenångan som kommer när du duschar, den varma fuktiga ångan träffar kalla ytor i badrummet och det bildas kondens). När vi kyler ner något så bildas det ju kondens.

Man kan säga att den varma gasen har kylts av och om vi lyckas kyla ner den tillräckligt mycket så att all gas blir kondens så har vi avgett en massa värme till huset. Vi har också fått en massa ny vätska i ledningarna som vi kan skicka tillbaka till utedelen där vi sänker trycket så att vätskan återigen kan koka och ta med ny energi in en gång till.

Bilden till vänster visar hur gas från utedelen kommer in i kompressorns kompressionskammare som relativt kall gas som ändå tagit lite energi från uteluften. Bilden till höger visar hur den gasen sen trycks ihop av en kolv. Molekylerna kommer nu att få mindre utrymme att vistas på och när dem börjar krocka och trängas i cylindern så ökar temperaturen kraftigt på gasen så att vi få väldigt varm gas (kallas för hetgas) som vi kan använda för att värma vårt hus.

Video: Kylprocessen i en AirCondition som kyler ett hus (Kylpump istället för värmepump)

Processen är precis den samma, skillnaden är bara att i denna video så ska huset kylas istället för att värmas och då tar vi energi från värmen i huset så att köldmediet i värmeväxlaren kokar och blir till gas så att vi sen kan lämpa av den värmen utanför huset vilket resulterar i att värmen inne sjunker.