Politechnika Gdańska

Chłodnictwo

Temat: Odzysk ciepła skraplania i ciepła przegrzania oraz

jego wpływ na działanie urządzenia chłodniczego

wykonali : Kamil Kaszyński
Wojciech Kątny

wydział : Mechaniczny
data: 01.04.2008

Wstęp:

W dzisiejszych czasach jesteśmy zmuszeni do poszukiwania nowych źródeł energii.

Wpływa na to wiele czynników, z których chyba najważniejszy to chęć produkowania czystej
energii, ograniczającej emisję toksycznych związków chemicznych do atmosfery. Drugim
powodem zwiększonego zainteresowania produkcją tego typu energii jest na pewno chęć
pozyskiwania alternatywnych źródeł energii ze względu na zmniejszającą się ilość, a co za
tym idzie wzrost cen tradycyjnych nośników energii (np. ropa naftowa, węgiel kamienny).

I tak też, jedną z możliwości wychodzących naprzeciw tym oczekiwaniom jest odzysk

ciepła z urządzeń chłodniczych, którym jest ciepło przegrzania sprężonych par czynnika oraz
ciepło ich skraplania.

Przebieg oddawania ciepła przez czynnik chłodniczy:

Aby obniżyć temperaturę środowiska chłodzonego poniżej temperatury otoczenia i

utrzymać tą temperaturę na odpowiednio niskim poziomie, należy odbierać od środowiska
chłodzonego (w parowniku) odpowiednią ilość ciepła q

0

. Zgodnie z teorią sprężarkowych

parowych obiegów chłodniczych należy przy tym wykonać pracę napędową sprężarki. Do
otoczenia (poprzez skraplacz) oddawane jest ciepło skraplanie q

k

równe sumie ciepła

odebranego ze środowiska chłodzonego q

0

oraz pracy napędowej.

W owym skraplaczu najpierw odbierane jest ciepło przegrzania par czynnika, którego

wartość można określić jako q

kp

=h(2)-h(2’).Para czynnika o parametrach pkt.2’ na wykresie

jest parą suchą nasyconą o temperaturze t (k). Dopiero po osiągnięciu tego stanu rozpoczyna
się właściwe skroplenie par czynnika chłodniczego. Wartość właściwą ciepła skraplania
możemy określić jako q

k’

=h(2’)-h(3). w punkcie 3 mamy do czynienia z ciekłym czynnikiem

o temperaturze t(k).Zwykle w skraplaczu ma miejsce również dochłodzenie ciekłego czynnika
do temperatury t(d) odbierając przy tym ciepło dochłodzenia q

d

.

Całkowita ilość ciepła odebranego od czynnika chłodniczego w skraplaczu jest sumą ciepła
przegrzania par czynnika, ciepła właściwego skraplania oraz ciepła dochłodzenie ciekłego
czynnika, zatem:

q

k

=q

kp

+q

k’

+q

d

Sposoby realizacji odzysku ciepła:

W zależności od planowanego zakresu odzysku ciepła z instalacji chłodniczej, można

wyróżnić dwa sposoby jego realizacji:

•

częściowy odzysk ciepła( jako źródło użytecznej energii odpadowej wykorzystuje się
tylko ciepło przegrzania par czynnika chłodniczego)

•

całkowity odzysk ciepła ( jako źródło użytecznej energii odpadowej wykorzystuje się
również ciepło skraplania par czynnika chłodniczego)

Całkowity odzysk ciepła skraplania

Odzysk ciepła obejmuje całkowite ciepło skraplania q

k

łącznie z ciepłem przegrzania

q

kp

oraz ciepłem dochłodzenia q

d

(jeżeli dochłodzenie jest realizowane). W instalacji

chłodniczej znajduje się płytowy skraplacz wodny, który umieszczony jest równolegle (rys.1)
do skraplacza powietrznego(wykorzystywanego podczas pracy poza sezonem grzewczym)
lub szeregowo(rys.2) przed skraplaczem powietrznym. Jeżeli mamy stuprocentowa pewność,
ż

e zapotrzebowanie na ciepło z odzysku występować będzie zawsze, wówczas można w ogóle

zrezygnować z zastosowania skraplacza powietrznego (rys3).

rys.1) Umieszczenie równoległe płytowego skraplacza wodnego(wymiennika)

rys.2) Umieszczenie szeregowe płytowego skraplacza wodnego(wymiennika)

rys.3)Brak stosowania skraplacza powietrznego

Charakterystyki poszczególnych połączeń:

a)równoległe umieszczenia płytowego skraplacza wodnego(wymiennika):

•

wymaga stosowania zaworów regulacyjnych sterujących przepływem strumienia
czynnika chłodniczego do odpowiedniego skraplacza;

•

zalecane jest stosowanie zaworów zwrotnych zapobiegających ucieczce czynnika do
niepracującego skraplacza

•

poza sezonem grzewczym strumień czynnika nie przepływa przez skraplacz wodny
(mniejsze straty wynikające z oporów przepływu).Jest to duża zaleta.

•

przy zastosowaniu odpowiednich zaworów regulacyjnych istnieje możliwość
dokonywania rozdziału strumienia czynnika chłodniczego oraz częściowy odzysk
ciepła skraplania

•

sterowania zaworami regulacyjnymi może być realizowany w sposób ręczny(ręczne
zawory odcinające), półautomatyczny (zawory elektromagnetyczne sterowane ręcznie)
lub automatyczny(np. termostaty)

b)szeregowe umieszczenie płytowego skraplacza wodnego(wymiennika):

•

upraszcza sterowanie odzyskiem(praca układu możliwa niemal bez żadnej
automatyki)

•

należy zastosować odpowiednio duży zbiornik czynnika chłodniczego(w sezonie
grzewczym skraplacz powietrzny jest zalany ciekłym czynnikiem w sezonie letnim
czynnik ciekły ze skraplacza powietrznego musi zmieścić się w zbiorniku)

•

występują straty oporu przepływu parowego czynnika chłodniczego przez wymiennik
do odzysku ciepła w okresie poza sezonem grzewczym

c)brak stosowania skraplacza powietrznego:

•

znaczne obniżenie kosztów urządzenia chłodniczego(brak drogiego skraplacza
powietrznego znaczne uproszczenie instalacji)

•

stosowany tylko wtedy gdy mamy stuprocentową pewność, że zapotrzebowanie na
ciepło z odzysku będzie występowało stale

•

niebezpieczeństwo, że urządzenie chłodnicze nie będzie mogło pracować, jeżeli
odbiór ciepła ustanie lub nawet zostanie ograniczony

•

stosowane tam gdzie, wartość ciepła odzyskiwanego z urządzenia chłodniczego jest
znacznie niższa od zapotrzebowania na nie i występuje ciągła konieczność używania
dodatkowych źródeł ciepła.

Ograniczenie podczas całkowitego odzysku ciepła skraplania

Ograniczeniem tym jest fakt ze maksymalna temperatura ,do której można podgrzać

wodę czasami nie jest dostatecznie wysoka. Jej wartość może się tylko zbliżać lub bardzo
nieznacznie przekroczyć wartość temperatury skraplania(rys.4).
Pełny odzysk ciepła skraplania jest możliwy przy ograniczeniu temper. wody do ok. 45-50 C.
Temperatura ta wystarczy dla układów ogrzewania niskotemperaturowego(np. podłogowego).
W innych przypadkach wymagane jest dogrzewania wody po wyjściu ze skraplacza do
odzysku ciepła. Jest to jednak i tak opłacalne, gdyż znaczna część ciepła pochodzi z odzysku.

rys4.

Częściowy odzysk ciepła w obszarze pary przegrzanej

Najwyższą opłacalność i najmniejsze nakłady inwestycyjne uzyskuje się wtedy gdy

zapotrzebowanie na ciepło można zapewnić wykorzystując tylko ciepło przegrzania gorących
par czynnika chłodniczego. W metodzie tej stosuje się desuperheatory, w których nie
występuje ograniczenie maksymalnej temperatury wody po podgrzaniu. Maksymalna
temperatura jest tylko nieco niższa od temperatury na wlocie czynnika chłodniczego. Poprzez
taki odzysk ciepła można uzyskiwać temperaturę wody rzędu 80 C(dla czynnika R22) lub
nieco niższe (dla czynnika R404a, R407c).Takie wysokie temperatury wody można
uzyskiwać podczas pracy przy niskiej temperaturze skraplania. Wydajność chłodnicza jest
wtedy wyższa a urządzenie zużywa mniej energii.

Desuperheatery są to wymienniki płytowe, które odbierają ciepło jedynie w obszarze

pary przegrzanej, pozostawiając sam proces skraplania skraplaczowi właściwemu. Odzyskowi
podlega jedynie ciepło przegrzania, więc za desuperheatorem należy umieścić drugi
wymiennik który będzie spełniał funkcje skraplacza(np. skraplacz powietrzny) (rys.5).
Desuperheater również można zastosować w połączeniu z płytowym skraplaczem wodnym,
także spełniający funkcje odzysku(rys.6) . W takim połączeniu można uzyskać np. dwa
osobne strumienie ciepłej wody różniące się temperaturą.

rys.5)Umieszczenie desuperheatera












rys.6) Połączenie desuperheatera z płytowym skraplaczem wodnym.


Wadą desuperheatera jest ograniczenie ilości ciepła odzyskiwanego do 15-20%

wartości całkowitego ciepła skraplania. Wiec stosuje je się w urządzeniach o średniej i
wyższej wydajności.

Sposoby magazynowania odzyskiwanego ciepła skraplania:

Pobór ciepłej wody nie jest ciągły, zazwyczaj potrzebujemy ją w jakiejś określonej

porze, w takim przypadku należy stosować zbiorniki do magazynowania nadmiaru ciepłej
wody(tzw. zbiorniki buforowe), co pozwala pobieranie ciepłej wody wtedy gdy zachodzi taka
potrzeba.

Zbiorniki wody użytkowej zazwyczaj produkowane są w kilku wykonaniach:

•

podgrzewacze wody użytkowej z przyłączami kołnierzowymi do
zainstalowania kilku wymienników odbierających ciepło skraplania;

•

podgrzewacz wody z wbudowanym wymiennikiem ciepła

•

zbiorniki wody użytkowej bez wbudowanych wymienników ciepła,
przystosowane do podłączenia wymienników zewnętrznych

Sposoby wykorzystania ciepła odpadowego:

Odpadowe ciepło skraplania w urządzeniach chłodniczym możemy wykorzystać na

bardzo wiele sposobów:

Do najczęściej spotykanych należą:

•

ogrzewanie wody w układach ogrzewania pomieszczeń,

•

ogrzewanie wody do celów użytkowych (np. do mycia)

•

ogrzewanie wody do celów technologicznych (np. wykorzystywanej w piekarniach)

•

ogrzewanie mieszanek glikolowych do układów zabezpieczających podłogi chłodni
przed przemarzaniem.

Wpływ odzysku ciepła na działanie urządzenia chłodniczego.

Aby zobrazować wpływ zmiany warunków pracy skraplacza na działanie urządzenia

chłodniczego w analizie najpierw zostanie oceniona ilość ciepła, jakie można uzyskać
wykorzystując ciepło skraplania i ciepło przegrzania gorących par czynnika chłodniczego dla
warunków nominalnych pracy urządzenia chłodniczego. Następnie analiza będzie dotyczyła
skutków, jakie powoduje zmiana nominalnej temperatury skraplania o 15K.

Do analizy przyjęto następujące dane:

Czynnik dla którego przeprowadzono analizę: R134a.
Analiza dotyczy podgrzania wody od temperatury 10

0

C do 55

0

C.

Przyjęto wskaźnik strat na poziomie 20%. Tak więc użyteczna wydajność grzewcza

wyniesie:

Stosunek ciepła przegrzania do skraplania wynosi:

Wydajność grzewcza procesu skraplania:

Wydajność grzewcza przegrzania:

Podgrzanie wody zachodzić bezie w dwóch etapach. Pierwszy etap, to podgrzanie

wody od temperatury 10

0

C do temperatury 40

0

C, wykorzystując wydajność grzewcza procesu

skraplania. Drugi etap, to podgrzanie wody od temperatury 40

0

C do 50

0

C.

Tak więc w pierwszym etapie otrzymamy następującą ilość podgrzanej wody:

W drugim etapie:

Zatem w ciągu godziny otrzymamy 1948l wody o temperaturze 500C.
Aby uzyskać taka ilość wody urządzenie musi pracować:

Przyjmując że sprężarka będzie pracować 16 godzin dziennie, w tym czasie można

uzyskać:

Podniesienie temperatury skraplania o 15K ma na celu osiągnięcie wyższej temperatury
końcowej podgrzewanej wody użytkowej lub uzyskanie korzyści z lepszego wykorzystania
ciepła przegrzania czynnika w odniesieniu do ciepła skraplania.

W celu wyznaczenia ilości ciepłej wody użytkowej założono te same warunki i zasady

dla temperatury skraplania 40

0

C, jaki i dla 55

0

C.

Podwyższenie temperatury skraplania wpływa niekorzystnie na charakterystyczne

wielkości obiegu chłodniczego. Samo podwyższenie tk bez zmiany wydajności objętościowej
sprężarki, powoduje duży spadek jej wydajności chłodniczej w granicach 25%. Ponadto,
wzrasta zużycie energii przez sprężarkę od 3% do 18%. Współczynnik wydajności
chłodniczej też maleje o ok. 30%. Jedyną zaletą takiej zmiany może być to, że wzrasta ciepło
przegrzania dzięki któremu moglibyśmy uzyskać więcej ciepła z przegrzewu czynnika
chłodniczego oraz wyższa temperaturę końcową ciepłej wody użytkowej.

Skutkiem ubocznym może być mniejsza żywotność sprężarki chłodniczej w wyniku

pracy przy podwyższonych parametrach.

Aby urządzenie miało pracować z taka samą wydajnością chłodniczą, wówczas

należałoby zwiększyć objętość sprężarki.

Zmianie ulegną następujące wielkości charakterystyczne:
-wydajność objętościowa sprężarki doskonałej
-rzeczywista wydajność masowa
-teoretyczne zapotrzebowanie mocy napędowej
-wydajność cieplna skraplacza

Porównanie obliczeń podstawowych wielkości charakteryzujących analizowany obieg

chłodniczy dla czynnika R 134a

Porównanie obliczeń ilości ciepła i ilości ciepłej wody, jakie można uzyskać z

analizowanego urządzenia chłodniczego dla czynnika R 134a.

Podwyższenie temperatury skraplania przy zachowaniu stałej wydajności chłodniczej

urządzenia powoduje wzrost wydajności objętościowej sprężarki o ok. 33%, co wpływa na
zwiększenie mocy napędowej średnio o 45%. Taki wzrost wydajności sprężarki powoduje
niewielkie zwiększenie wydajności cieplnej skraplacza o ok. 10%.

Utrzymanie wydajności chłodniczej na stałym poziomie powoduje wzrost ilości

uzyskiwanej ciepłej wody użytkowej.

Zmiany charakterystycznych wielkości obiegu chłodniczego w wyniku zmiany

temperatury skraplania.

Skutki zmiany temperatury skraplania na ilość uzyskiwanej ciepłej wody użytkowej.

Aby podjąć decyzję dotycząca podwyższenia temperatury skraplania w urządzenie,

konieczne jest przeprowadzenie analizy wszystkich parametrów jego pracy i stwierdzenie, czy
mimo niekorzystnych warunków działania urządzenia, celowe będzie podwyższenie tk po to
,aby końcowa temperatura wody nie wymagała dalszego podgrzewania.

Przedstawiona wyżej analiza pozwala stwierdzić że podwyższenie temperatury

skraplania powoduje:

-wzrost poboru mocy napędowej sprężarki

-spadek wydajności chłodniczej urządzenia przy stałej wydajności objętościowej

sprężarki

-spadek wydajności cieplnej skraplacza przy stałej wydajności objętościowej sprężarki
-wzrost wydajności cieplnej skraplacza przy zachowaniu stałej wydajności chłodniczej

urządzenia

-wzrost temperatury końca sprężania

Wynika stąd, że aby uzyskać ciepłą wodę „ za darmo”, należy wykorzystywać ciepło

skraplania przy nominalnych parametrach urządzenia chłodniczego.


Bibliografia:
Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna