Warmtepomp

Achtergrond

Als gevolg van de toenemende zorg van de samenleving voor ecologische en milieukwesties, stijgt de vraag naar efficiëntere manieren om warmte en energie te gebruiken. De warmtepompindustrie maakt gebruik van technologische vooruitgang, zoals het hele jaar door ruimteverwarming om warmte-energie naar een nuttigere locatie en doel te verplaatsen. Dit concept wordt bereikt door gelokaliseerde of omgeleide warmte te leveren, terwijl koele lucht wordt uitgewisseld met verwarmde lucht.

De principes van warmtepompen zijn eigenlijk het omgekeerde van de technologische en thermodynamische principes van een airconditioner. De meeste warmtepompen hebben als bijkomend voordeel dat ze zowel verwarming in de winter als koeling in de zomer bieden. Dit kan eenvoudig worden bereikt door de stroom van de werkvloeistof die door de spoelen circuleert om te keren. De warmtepomp is een volledig thermodynamisch systeem waarbij een vloeibaar en/of gasvormig medium door een samenstel wordt gepompt waar het van fase verandert als gevolg van veranderende druk. Hoewel het relatief duur is om in te stellen, biedt het warmtepompsysteem een ​​meer economische en efficiënte manier om de temperatuur te regelen en bestaande warmte-energie te hergebruiken.

Grondstoffen

De fabricage van warmtepompen omvat het gebruik van grote gietijzeren gietstukken met roestvrijstalen componenten en aluminium buizen. De gietstukken die in de pomp en motor worden gebruikt, bevatten vaak kleine hoeveelheden nikkel, molybdeen en magnesium om de mechanische en corrosiebestendige eigenschappen van het gietstuk te verbeteren. In kleinere warmtepompen vereisen sommige componenten het gebruik van gelegeerd staal om het gewicht te verminderen. Afhankelijk van het type werkvloeistof dat wordt gebruikt (ammoniak, water of chloorfluorkoolwaterstoffen), kunnen de leidingen in het warmtepompsysteem corrosiebestendig roestvrij staal of aluminium vereisen. In systemen waar consistentie van thermodynamische eigenschappen belangrijker zijn, kunnen koperen buizen de efficiëntie verbeteren. De behuizingen, waarin de meeste componenten van de warmtepomp zijn ondergebracht, zijn gemaakt van plaatstaal van zacht koolstofstaal. De rest van de leidingen, fittingen, kleppen en koppelingen zijn van roestvrij staal.

Alle warmtepompen hebben een werkvloeistof nodig om overtollige energie van de ene warmtebron naar de andere over te brengen. Traditioneel worden chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) gebruikt als werkvloeistoffen vanwege hun superieure thermodynamische eigenschappen. Vanwege de schadelijke effecten waarvan nu bekend is dat CFK's op het milieu hebben, zijn ze geleidelijk uit de productie genomen. In plaats daarvan worden water, koolwaterstoffen en ammoniak vaak gebruikt in warmtepompsystemen, ondanks hun gebrek aan efficiëntie in sommige warmtepompontwerpen.

Ontwerp

Warmtepompen hebben allemaal dezelfde basiscomponenten. Deze componenten bestaan ​​uit een pomp, een condensor, een verdamper en een expansieventiel. Ondanks de relatieve overeenkomsten van deze componenten, variëren de ontwerpen van warmtepompen sterk, afhankelijk van de specifieke toepassing van de pomp. De twee belangrijkste ontwerpen, dampcompressie en -absorptie, gebruiken verschillende thermodynamische principes, maar beide bevatten vergelijkbare componenten en bieden vergelijkbare systeemefficiënties.

Warmtepompen laten een opmerkelijke veelzijdigheid zien in het leveren van zowel airconditioning als verwarming in hetzelfde systeem door simpelweg de stroomrichting van de werkvloeistof om te keren. In dit opzicht elimineren warmtepompen de noodzaak voor dubbele systemen om een ​​gewenste temperatuur te behouden. Dit zal echter kostbaar zijn omdat het een systeem vereist dat in beide richtingen kan pompen. In extreem ongunstige klimaten verliezen warmtepompen een deel van hun effectiviteit en kunnen ze een extra warmtebron nodig hebben. Deze aanvullende warmte kan afkomstig zijn van geothermisch verwarmd water of elektrische kachels.

De typische werking van een warmtepomp gebruikt de werkvloeistof om warmte te ontvangen van een bron die zich dicht bij de verdamper bevindt. Bij de verdamper verdampt de vloeistof tot een lagedrukdamp. Bij binnenkomst in de pomp wordt de damp gecomprimeerd tot hoge druk en komt in een condensor die de damp terugvoert naar een vloeistof en uiteindelijk de opgeslagen warmte afgeeft aan de gewenste bron. Een expansieklep zorgt ervoor dat het systeem terugkeert naar de vloeibare toestand onder lage druk en de cyclus begint opnieuw.

Het fabricageproces

De pomp wordt gewoonlijk als een afgewerkte eenheid aangeschaft en in het systeem geïnstalleerd door deze te integreren met koppelings- en leidingcomponenten. De pomp is ontworpen voor de specifieke grootte en vloeistofvereisten van het systeem en kan, afhankelijk van de grootte, rechtstreeks naar de installatieplaats worden verzonden. Dit gebeurt meestal bij grote commerciële warmtepompen die warmte en/of koeling leveren aan kantoorgebouwen. Bij kleinere residentiële modellen kan de pomp worden geïnstalleerd in een samenstel dat de condensor, verdamper en verschillende leidingen omvat. Deze units, ingekapseld in een plaatstalen doos, zullen bestaan ​​uit verschillende subassemblages voor de condensor en verdamper om elk onderdeel aan de doos of aan elkaar te bevestigen. Sommige van de gebruikte beugels vormen de basis van de unit waar de pomp wordt vastgeschroefd aan een metalen pan en wordt aangesloten op een AC-motor.

Omhulsels

• 1 Geassembleerd uit verschillende metalen platen, worden omhulsels op maat geknipt in een schaarpers. Nadat ze op de juiste afmetingen zijn gesneden, worden kleine montagegaten in het metaal geponst met behulp van een Computer Numerically Controlled (CNC) ponsmachine. Deze ponsmachines hebben ofwel een verplaatsbare tafel om het plaatwerk te verplaatsen of een verplaatsbare matrijs die gaten kan ponsen op verschillende plekken in het metaal. Ponspersen worden vaak door een computer-aided design (CAD)-programma gestuurd waar ze moeten ponsen. Er zijn verschillende gevormde ponsgereedschappen in de machine opgeslagen, waardoor deze alle benodigde gaten kan ponsen door simpelweg het computerprogramma te wijzigen.
• 2 Na het ponsen gaat de plaat naar een Numerically Controlled (NC) afkantpers, waar deze in verschillende vormen en configuraties wordt gebogen. De kantpers buigt het metaal in veel verschillende vormen met behulp van matrijzen of gereedschap. In tegenstelling tot de CNC-ponsmachine, vereist de kantpers een handmatige verandering van gereedschap om een ​​andere buiging uit te voeren. De plaat is dan klaar om te worden gelast, geklonken of vastgeschroefd aan de andere platen en beugels. Eenmaal gemonteerd, bieden deze platen de meeste stabiliteit van stand-alone units.

Condensor en verdamper

• 3 De condensor en verdamper zijn gemaakt van vele kleine, dunne koperen of aluminium buizen, die door buizenbuigmachines om gebogen matrijzen worden gebogen. NC-buisbuigmachines worden geprogrammeerd om exact dezelfde buiging te geven aan elk van de buizen, waardoor ze op elkaar kunnen worden gestapeld. Deze buizen worden vervolgens bevestigd aan platen of vinnen waardoor de buizen zullen gaan en worden verbonden door buisexpansie of verbindingslassen. Hierdoor ontstaat een goed afgesloten systeem. Het buis- en plaatsamenstel zal fungeren als een warmtewisselaar door de werkvloeistof door het systeem in de buizen te laten stromen, terwijl de warmte in de condensor wordt afgegeven aan een ander vloeibaar medium dat tussen de platen passeert en de warmte verkrijgt die door de buizen wordt afgegeven .
• 4 Om sterkte of connectiviteit aan de componenten te bieden, zijn kleine beugels geponst uit zacht koolstofstaal. De beugels zijn meestal gestanst uit een stalen spoel die continu eerst door een decoiler wordt gevoerd. Als het eenmaal is afgewikkeld, wordt het in één continu proces geschoren, gebogen en gevormd. Dit wordt gedaan met een progressieve matrijsconfiguratie, waarbij de beugel aan de spoel bevestigd blijft terwijl deze van station naar station. Elk station voegt iets toe aan de beugel, een gat of een inkeping, en stuurt het naar het volgende station, totdat het uiteindelijk van de spoel wordt gescheurd. Dit proces kan worden uitbesteed aan leveranciers die gespecialiseerd zijn in progressieve matrijs- of transferpersactiviteiten en kunnen zorgen voor een betere kostenbeheersing.

Slangen

• 5 Er worden meer slangen gefabriceerd en gebogen om de rest van de leidingen te vormen die nodig zijn om de pomp met de condensor en verdamper te verbinden. Er worden verschillende fittingen en verbindingscomponenten gebruikt. De expansieklep, die zich in sommige pijpleidingen bevindt, is een ander onderdeel dat als een geheel wordt gekocht. Het expansieventiel is een ontworpen fitting die zorgt voor de expansie van de werkvloeistof en het aansluiten van buizen met een kleinere diameter op buizen met een grotere diameter. In kleine wooneenheden bevindt de klep zich in de hoofdkast, terwijl deze in grotere commerciële eenheden ter plaatse in het leidingsysteem kan worden geïnstalleerd.

Schilderen/coaten

• 6 Componenten, subassemblages, beugels en/of platen zijn geverfd of gepoedercoat voor corrosiebestendigheid. Voor het schilderen worden sommige onderdelen echter behandeld met een speciaal oplosmiddel om eventueel achtergebleven vet of olie uit de fabricage te verwijderen. Dit gebeurt meestal door de onderdelen onder te dompelen in grote tanks gevuld met oplosmiddel en ze vervolgens te drogen in een speciale oven. Sommige onderdelen, die speciaal zijn gecoat met zink, nikkel of chroom, worden door een zuurbad gevoerd voordat ze in tanks met coatingoplossing worden gedompeld. Eenmaal gereinigd, worden de onderdelen handmatig op trays geladen of op speciaal ontworpen rekken gehangen en in een spuitcabine gevoerd. De verf wordt aangebracht met een verfdispenser onder druk die verf in elke spleet spuit.

Verpakking

• 7 Na grondige inspecties te hebben doorstaan, wordt de warmtepomp naar de verpakking gestuurd, waar het systeem in dozen wordt gedaan en naar de installatielocatie wordt verzonden.

Installatie

• 8 Over het algemeen zullen warmtepompen op de bouwplaats worden geïnstalleerd. De compressor en verdamper worden gemaakt van massieve buizen met een diameter van 3 inch (7,5 cm) en hebben grotere kamers, waar de werkvloeistof van fase verandert. De pomp zelf wordt vastgeschroefd aan een betonnen pad en aangesloten met een grote gelijkstroommotor of aardgasgenerator. De fittingen en kleppen worden verzonden en geïnstalleerd in het leidingsysteem, terwijl ze worden ondersteund door beugels en beugels die aan bestaande muren zijn verankerd. Deze installaties kennen aanzienlijke technische uitdagingen en vereisen vaak samenwerking tussen de aannemer en de fabrikant van de warmtepomp.

Kwaliteitscontrole

Elk onderdeel dat van een externe leverancier wordt gekocht, wordt meestal gecontroleerd op conformiteit met de afmetingen voordat het wordt geassembleerd. Andere componenten zullen tijdens hun fabricage worden gecontroleerd om de kwaliteit te waarborgen. De eindmontage wordt vervolgens getest door deze te vullen met de juiste werkvloeistof en het systeem aan te sluiten op een stroombron om de pomp te laten draaien. Door met transducers of schakelaars de temperatuur en drukniveaus van de vloeistof in verschillende stadia te meten, kan het uiteindelijke systeem worden getoetst aan vooraf bepaalde criteria.

De Toekomst

Met de stijgende energiekosten zal de vraag naar de efficiënte warmtepomp toenemen. De hoge initiële kosten worden volledig terugbetaald naarmate het totale energieverbruik afneemt. De veelzijdige warmtepomp komt ten goede aan organisaties die hun blootstelling aan nieuwe technologische ontwikkelingen willen vergroten. Naarmate de technologie verbetert, zal de warmtepomp uiteindelijk kosteneffectiever verwarmen en koelen. Productontwikkeling zal leiden tot concurrentie tussen industrieën, waardoor de hoge productiekosten zullen dalen. De technologie voor werkvloeistoffen zal zich blijven uitbreiden dankzij verschillende experimentele onderzoeken die zijn ontworpen om tegemoet te komen aan toekomstige milieuproblemen.