Komponenterna: Värmeväxlare, kompressor och expansionsventil ikon

Komponenterna: Värmeväxlare, kompressor och expansionsventil

Inledning: Värmepumpens byggstenar

En värmepump består av fyra huvudkomponenter som arbetar tillsammans i ett slutet kretslopp:

  1. Förångare (värmeväxlare för att ta upp värme)
  2. Kompressor (hjärtat i systemet)
  3. Kondensor/förångare (värmeväxlare för att avge värme till värmesystemet)
  4. Expansionsventil (tryckreduktion)

Därutöver finns köldmediet, som cirkulerar genom alla komponenter. I den här artikeln går vi igenom varje del mer ingående.

Värmeväxlaren: Att ta upp och avge värme

Utan värmeväxlare skulle modern värme- och kylteknik i praktiken inte fungera. Den här komponenten utför kärnuppgiften att ta upp och avge värme.

Funktionsprincip

I en värmeväxlare överförs värme mellan två medier, utan att medierna kommer i direkt kontakt med varandra.

Viktigt: Värme flödar alltid från varmt till kallt – det är termodynamikens andra huvudsats i praktiken.

Värmeöverföringen sker huvudsakligen genom:

  • Konduktion: värmeledning genom material
  • Konvektion: värmetransport med strömmande medier

Exempel i vardagen

Vi stöter på värmeväxlare dagligen i många apparater:

Utrustning Var tas värme upp? Var avges värme?
Bilkylare Varmt kylvatten Förbipasserande luft
Kylskåp Kylskåpets insida Baksidan (kylslingor/galler)
Värmepump Omgivning (luft/mark) Värmesystemets vatten

Olika typer av värmeväxlare

Rörvärmeväxlare

Uppbyggnad:

  • Ett rör med ett cirkulerande medium
  • Ett definierat utrymme runt röret med ett annat medium
  • Värme överförs genom rörväggen

Fördelar:

Rörvärmeväxlare är framför allt attraktiva genom sin enkelhet:

Fördel Förklaring
Enkel konstruktion Få komponenter
Robust Tålig mot tryckvariationer
Lättskött Enkla att rengöra
Kostnadseffektiv Billig tillverkning

Nackdelar:

Den enkla konstruktionen innebär också vissa begränsningar:

Nackdel Förklaring
Lägre verkningsgrad Mindre värmeöverförande yta
Större platsbehov Kräver mer installationsutrymme

Plattvärmeväxlare

Uppbyggnad:

  • Flera plattor med små mellanrum
  • Varmt och kallt medium strömmar växelvis mellan plattorna
  • Ofta motströmsflöde för högsta effektivitet

Fördelar:

Den kompakta konstruktionen ger tydliga fördelar:

Fördel Förklaring
Hög effektivitet Stor värmeöverförande yta
Kompakt Litet platsbehov
Lätt att bygga ut Fler plattor kan läggas till

Nackdelar:

Den högre komplexiteten har också sina baksidor:

Nackdel Förklaring
Högre kostnad Mer avancerad tillverkning
Känsligare för tryck Packningar kan vara utsatta
Svårare att rengöra Många smala kanaler

Användning i värmepumpar

I värmepumpar används olika typer av värmeväxlare beroende på placering i systemet:

Position Benämning Typ av värmeväxlare
Kall sida Förångare Lamellrör eller plattvärmeväxlare
Varm sida Kondensor Lödplattvärmeväxlare

Kompressorn: Systemets hjärta

Kompressorn ansvarar för att komprimera köldmediet. Genom kompressionen höjs temperaturen till en nivå som kan utnyttjas i värmesystemet.

Funktionsprincip

  1. Gasformigt köldmedium sugs in från förångaren
  2. Kompressorn komprimerar gasen mekaniskt
  3. Trycket stiger → temperaturen stiger
  4. Den heta gasen leds vidare till kondensorn

Kompressorn är den del som faktiskt ”pumpar” värmen i en värmepump.

Uppbyggnad

En kompressor består i huvudsak av:

  • Drivning: oftast en elmotor
  • Kompressionsdel: exempelvis spiraler eller kolvar

Olika kompressortyper

Scrollkompressor (standard i värmepumpar)

Funktionsprincip:

  • Två spiralformade element
  • Ett fast, ett rörligt
  • En excentrisk rörelse pressar gasen mot mitten och komprimerar den

Fördelar:

Scrollkompressorn är standard i moderna värmepumpar av goda skäl:

Fördel Förklaring
Mycket tyst Inga kraftiga slag- eller kolvrörelser
Hög verkningsgrad Effektiv kompression
Lång livslängd Få rörliga delar och lite slitage
Jämn drift Kontinuerligt flöde utan stora pulser

Inverterkompressor (modern lösning)

Här kombineras en scrollkompressor med en frekvensomriktare:

  • Motorns varvtal kan varieras
  • Effekten anpassas efter aktuellt värmebehov
  • Färre start/stopp-cykler → mindre slitage och jämnare drift

Fördelar:

Den variabla hastigheten ger flera viktiga fördelar:

Fördel Förklaring
Energieffektiv Producerar bara så mycket effekt som behövs
Tyst Inga kraftiga startljud
Hållbar Lägre mekanisk belastning
Noggrann reglering Stabil framledningstemperatur

Andra kompressortyper

Utöver de vanligaste typerna finns kompressorer för mer specifika användningar:

Typ Typisk användning
Kolvkompressor Större kyl- och industrisystem
Rullkolvkompressor Mindre luftkonditioneringsaggregat
Turbo-/centrifugalkompressor Stora industrianläggningar

Expansionsventilen: Motspelaren

Expansionsventilen är kompressorns motpart. Den reglerar återflödet av köldmediet från kondensorn tillbaka till förångaren.

Funktionsprincip

Efter att ha avgett värme i kondensorn har köldmediet fortfarande:

  • Högt tryck
  • Förhöjd temperatur

Expansionsventilen:

  1. Sänker trycket genom en kontrollerad strypning
  2. Därigenom sjunker temperaturen
  3. Köldmediet är redo för nästa cykel i förångaren

Olika ventiltyper

Oreglerade expansionsventiler

  • Enkel konstruktion
  • Fast öppningsarea
  • Används i enklare system (t.ex. små kylskåp)

Reglerade expansionsventiler

  • Anpassar flödet automatiskt
  • Reagerar på temperatur och tryck
  • Standard i moderna värmepumpar

Genom regleringen kan värmeeffekten ställas in mer exakt och anläggningen arbeta stabilt även vid varierande driftförhållanden.

Köldmediet: Den speciella vätskan

Utan köldmediets speciella egenskaper skulle värmepumpar inte fungera.

Vad gör ett köldmedium speciellt?

Köldmedier har fysikaliska egenskaper som gör dem särskilt lämpade för värmepumpsdrift:

Egenskap Betydelse
Låg kokpunkt Förångas redan vid låga temperaturer
Hög värmekapacitet Kan ta upp mycket värmeenergi
Fasomvandling Växlar effektivt mellan vätska och gas

Köldmedium vs. kylmedium

Obs: Begreppen blandas ofta ihop, men det finns tydliga skillnader:

Köldmedium Kylmedium
Aggregationsform Växlar (vätska ↔ gas) Förblir i samma fas
Värmeöverföring Genom fasomvandling Genom strömning/konvektion
Typisk användning Värmepumpar, kyl- och klimatanläggningar Motorkylning, värmebärare i system

Vanliga köldmedier

Naturliga köldmedier

Naturliga köldmedier är generellt mer miljövänliga, men har var för sig särskilda för- och nackdelar:

Benämning Egenskaper
Propan (R290) Mycket lågt GWP, energieffektivt, brandfarligt
CO₂ (R744) Icke brännbart, höga arbetstryck
Ammoniak (R717) Mycket effektivt, giftigt och kräver särskilda säkerhetsåtgärder

Syntetiska köldmedier

Syntetiska köldmedier fasas successivt ut inom EU enligt F-gasförordningen och ersätts av alternativ med lägre klimatpåverkan:

Benämning Status
R410A Fortfarande i drift i befintliga anläggningar, fasas ut i nya
R32 Vanligt i moderna luft/luft- och luft/vatten-värmepumpar
R1234yf Mycket lågt GWP, används främst i fordonsklimatanläggningar

Förbjudna och begränsade köldmedier

På grund av miljö- och säkerhetskrav är följande grupper förbjudna eller starkt begränsade inom EU och därmed i Sverige:

  • CFC (FCKW) – kraftigt ozonnedbrytande
  • HCFC (HFCKW) – ozonnedbrytande och med hög klimatpåverkan
  • Flera HFC (HFKW) med högt GWP begränsas stegvis enligt EU:s F-gasförordning

GWP (Global Warming Potential): ett mått på ett ämnes klimatpåverkan jämfört med koldioxid (CO₂ = 1).

Samspelet mellan alla komponenter

        Förångare (utomhus)
              │
              │ Gas (kall)
              ↓
        Kompressor ←── El
              │
              │ Gas (het, högt tryck)
              ↓
        Kondensor (inomhus)
              │
              │ Vätska (varm)
              ↓
        Expansionsventil
              │
              │ Vätska (kall, lågt tryck)
              ↓
        tillbaka till förångaren

Energiflödet

  1. Omgivningsvärme (gratis) → tas upp i förångaren
  2. Elektrisk energi → driver kompressorn
  3. Nyttig värme → avges till värmesystemet

Det speciella med värmepumpar är att man typiskt får 3–5 kWh värme för varje 1 kWh el som tillförs – förutsatt rätt dimensionering och ett väl fungerande värmesystem.

Sammanfattning

Kort sagt: Varje komponent har en tydlig uppgift i helheten. Förångaren tar upp värme från omgivningen, kompressorn höjer temperaturen till en användbar nivå, kondensorn avger värmen till värmesystemet och expansionsventilen sänker tryck och temperatur igen. Köldmediet transporterar värmen mellan komponenterna. Först när alla delar är rätt dimensionerade och samspelar fungerar värmepumpen effektivt.

Nästa steg: Nyckeltal och dimensionering av värmepumpar

Hela artikelserien om värmepumpar

  1. ”Omvänd kylskåp”: Hur fungerar en värmepump? – Grundläggande funktion
  2. Komponenterna: Värmeväxlare, kompressor och expansionsventil – Du är här
  3. Nyckeltal och dimensionering av värmepumpar – COP, årsverkningsgrad och mer
  4. Driftlägen: Monovalent, bivalent och hybrid – Olika driftsätt
  5. Olika värmepumpstyper och ”dream team” med solceller – Luft/vatten, bergvärme & sol

Källor