Tomasz Stankowski
Wybrane rozwiązania konstrukcyjne pomp ciepła
Ze względu na konieczność oszczędzania energii oraz rosnące ceny paliw pompy
ciepła znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie we współczesnym budownictwie.
Niniejsze opracowanie jest przedstawieniem rozwiązań technologicznych tychże urządzeń
zaczerpniętych z programu SOLKANE 8. Umożliwia on dobranie i analizę poszczególnych
parametrów pracy pompy oraz przedstawienie danego obiegu na wykresach T(s) i p(i).
SOLKANE 8 umożliwia pracę w oparciu o siedem trybów pracy pompy ciepła. Poniżej
znajduje się ich umówienie.
1. Obieg I
Jest to najprostsze rozwiązanie pompy ciepła. W skład obiegu wchodzi kolejno:
parowacz, osuszacz, sprężarka, skraplacz, układ regulacji oraz zawór rozprężny:
Rysunek 1. Obieg I pompy ciepła.
Aby odpowiednio przeanalizować i zasymulować obieg w programie SOLKANE 8 do
programu należy wykorzystań następujące dane wejściowe:
·ð Parowacz:
temperatura parowania (temperatura punktu rosy)
przegrzanie (wartość przegrzania czynnika ziębniczego przed sprężarką)
wydajność chłodnicza - strumień ciepła zaabsorbowany przez czynniki chłodniczy
spadek ciśnienia na parowaczu
·ð Skraplacz:
temperatura punktu rosy
przechłodzenie (wartość przechłodzenia czynnika ziębniczego przez zaworem
rozprężnym)
1
straty ciśnienia na skraplaczu
·ð Sprężarka
sprawność sprężarki
·ð straty ciÅ›nienia na przewodach rozprowadzajÄ…cych czynnik obiegowy.
Po wprowadzeniu powyższych danych do programu dostaje się wartości
ciśnienia, temperatury, objętości właściwej, entalpii właściwej, entropii właściwej,
oraz stopnia suchości w następujących punktach:
1 - sprężarka, pomiar po stronnie ssawnej, pobór pary.
2s - punkt izentropowego sprężania
2 - punkt rzeczywistego sprężania.
3- skraplacz.
3'' - punkt rosy w skraplaczu.
3''4'm - wartość średnia między punktami 3'' i 4'.
4' - punkt wrzenia.
4 - punkt po skraplaniu/przed zaworem rozprężnym.
5 - parowacz/po zaworze rozprężnym.
56''m -średnia wartość między punktami 5 i 6''.
6'' - punkt rosy w parowaczu
Program umożliwia także przedstawienie danych na wykresie lgp(i) i T(s):
4
3''
2
1
5 6''
Rysunek 2. Obieg I w układzie lgp(i).
2
2
3''
4
1
5 6''
Rysunek 3. Obieg I w układzie T(s).
Obieg dla tego przypadku wygląda następująco: czynnik odparowywuje w dolnym z
ródle
ciepła, następnie jest osuszany za pomocą osuszacza, trafia do sprężarki, gdzie następuje
podwyższanie jego ciśnienia i temperatury. Następnie ciepło oddawane jest w skraplaczu,
następuje kondensacja czynnika, po czy trafia on na zawór rozprężny, na którym zachodzi
izentalpowe rozprężanie go. Przedstawiony model jest najprostszym schematem działania
pompy ciepła.
Na kolejnej stronie przedstawione zostało menu programu SOLKANE 8 ułatwiające
tworzenie własnych symulacji obiegów termodynamicznych pomp ciepła.
Ciekawą funkcją programu jest "pipe sizing", umożliwiające dobór rur potrzebnych do
zrealizowania danego obiegu.
3
menu
pokaż wykres
pomoc
wybór
czynnika
obiegowego
Oblicz
ustawiania
skraplacza
ustawienia sekcji
"przed" i "po"
sprężarce
ustawienia
doskonałości
sprężarki
tabela wyników
ustawienia pozostałe wyniki
parowacza
Rysunek 4. Menu programu SOLKANE 8.
4
2. Obieg II
Kolejny obieg jest modyfikacją obiegu I o wewnętrzny wymiennik ciepła (zwany
także przegrzewaczem). Rozwiązanie to jest szczególnie przydatne, gdy jako czynnik
obiegowy stosuje się mieszaniny wieloskładnikowe, np. R407c. Wewnętrzny wymiennik
ciepła gwarantuje całkowite odparowanie każdego ze składników, co zastępuje osuszacz,
uniemożliwiając dostanie się do sprężarki cieczy. Zastosowanie tego obiegu powoduje wzrost
współczynnika efektywności obiegu termodynamicznego.
Rysunek 5. Obieg II.
Aby odpowiednio przeanalizować i zasymulować obieg w programie SOLKANE 8 do
programu należy wykorzystań następujące dane wejściowe:
·ð Parowacz:
temperatura parowania (temperatura punktu rosy),
przegrzanie czynnika obiegowego,
strata ciśnienia na parowaczu,
wydajność chłodnicza - strumień ciepła zaabsorbowany przez czynniki obiegowy
·ð Skraplacz:
Temperatura kondensacji (temperatura punktu rosy)
przechłodzenie czynnika obiegowego
strata ciśnienia na skraplaczu
·ð Sprężarka:
doskonałość sprężarki
·ð WewnÄ™trzny wymiennik ciepÅ‚a:
Minimalna różnica temperatur między punktami 4 i 1 na powyższym wykresie,
strata ciśnienia na "gazowej" stronie wymiennika ciepła
·ð straty ciÅ›nienia na przewodach rozprowadzajÄ…cych czynnik obiegowy.
5
 Po wprowadzeniu powyższych danych do programu dostaje się wartości
ciśnienia, temperatury, objętości właściwej, entalpii właściwej, entropii właściwej,
oraz stopnia suchości w następujących punktach:
1 - sprężarka, pomiar po stronnie ssawnej, para podawana do wewnętrznego
wymiennika ciepła
2s - punkt izentropowego sprężania
2 - punkt rzeczywistego sprężania.
3- skraplacz.
3'' - punkt rosy w skraplaczu.
3''4m - punkt wrzenia czynnika w skraplaczu
4 - punkt po skraplaniu/ciecz o tych parametrach przechodzi przez wewnętrzny
wymiennik ciepła.
5 - parametry po przejściu przez wymiennik ciepła/przed zaworem rozprężnym.
6 - wypływ z zawora rozprężnego
67''m - wartość średnia między punktami 6 i 7''
7'' - punkt rosy w parowaczu
8 - para opuszczajÄ…ca parowacz.
Obliczenie charakterystycznych wydajności obiegu:
a. wydajności:
Skraplacz: wydajność skraplania = m*(h3 - h4),
Sprężarka wydatek mocy na pracę sprężarkę: P = m*(h2-h1)
Wewnętrzny wymiennik ciepła: wymienione ciepło = Q = m*(h1  h8) = m*(h4  h5)
b. inne parametry:
Przepływ masowy czynnika obiegowego: m = Qo/(h7  h6); Qo : efekt ziębienia [kW].
Poniższe wykresy przedstawiają rzeczony obieg w układzie lgp(i) oraz T(s)
wraz z oznaczonymi punktami. A
atwo z nich odczytać, że dzięki przegrzaniu i
przechłodzeniu czynnika obiegowego zwiększa się ilość ciepła oddawanego przez
układ przy braku wydatku mocy na pracę sprężarki, co powoduje wzrost COP. Zatem
do zalet tego systemu z pewnością można zaliczyć: wzrost efektywności pracy pompy
oraz dokładne osuszenie czynnika obiegowego przed wejściem do sprężarki
6
2
3''
4
5
1
6 7''
Rysunek 6. Obieg II w układzie T(s).
4 3'' 2
1
6 7''
Rysunek 7. Obieg II w układzie lgp(i).
7
3. Obieg III
Trzeci omawiany obieg nazywany jest dwustopniowym pośrednim z zewnętrznym
ziębieniem. Wykorzystywane są w nim dwie sprężarki - sprężarka niskiego ciśnienia i
sprężarka wysokiego ciśnienia, między którymi następuje oddanie ciepła przez czynnik
obiegowy w wymienniku ciepła zwanym intecooler'em.
Rysunek 8. Obieg III.
Aby odpowiednio przeanalizować i zasymulować obieg w programie SOLKANE 8 do
programu należy wykorzystań następujące dane wejściowe:
·ð Parowacz:
temperatura punktu rosy czynnika w parowaczu,
przegrzanie,
straty ciśnienia na parowaczu,
wydajność chłodnicza - strumień ciepła zaabsorbowany przez czynniki chłodniczy
spadek ciśnienia na parowaczu
·ð Skraplacz:
temperatura punktu rosy w skraplaczu
przechłodzenie,
straty ciśnienia na skraplaczu,
·ð Sprężarka
stopień doskonałości sprężarki niskiego ciśnienia - pLP
stopień doskonałości sprężarki wysokiego ciśnienia - pHP
ciśnienie pośrednie liczone jako pm =
Wartość pm można zadać programowi za pomocą funkcji "Auto". Dobiera on wtedy
domyślną wartość ciśnienia pośredniego.
·ð straty ciÅ›nienia na przewodach rozprowadzajÄ…cych czynnik obiegowy.
8
 Po wprowadzeniu powyższych danych do programu dostaje się wartości
ciśnienia, temperatury, objętości właściwej, entalpii właściwej, entropii właściwej,
oraz stopnia suchości w następujących punktach:
1 - sprężarka niskiego ciśnienia, pomiar po stronnie ssawnej.
2s - punkt izentropowego sprężania w sprężarce niskiego ciśnienia.
2 - punkt rzeczywistego sprężania w sprężarce niskiego ciśnienia.
3- wypływ czynnika z intercooler'a.
4s - punkt izentropowego sprężania w sprężarce wysokiego ciśnienia.
4 - punkt rzeczywistego sprężania w sprężarce wysokiego ciśnienia.
5 - wpływ czynnika do skraplacza.
5'' - punkt rosy w skraplaczu.
5''6'm - wartość średnia między punktami 5'' i 6'
6' - punkt wrzenia w skraplaczu.
6 - wypływ ze skraplacza/przed zaworem rozprężnym.
7 - wpływ do parowacza/ po zaworze rozprężnym.
78''m - wartość średnia między punktami 7 i 8''.
8'' - punkt rosy w parowaczu.
8 - wypływ z parowacza.
Pozostałe istotne wartości obliczane przez program:
Skraplacz: Wydajność skraplania = m*(h5  h6)
Sprężarka niskiego ciśnienia: Moc zużywana przez sprężarkę niskiego ciśnienia:
PND = m*(h2  h1)
Sprężarka wysokiego ciśnienia: Moc zużywana przez sprężarkę wysokiego
ciśnienia PHD = m*(h4  h3)
Intercooler: Przejęte ciepło Q = m*(h2  h3)
9
6 5''
4
3
2
1
7 8''
Rysunek 9. Obieg III w układzie lgp(i).
4
5''
6
2
3
1
7 8''
Rysunek 10. Obieg III w układzie T(s).
10
4. Obieg IV
Kolejny proces opiera siÄ™ o wykorzystanie urzÄ…dzenia zwanego ekonomizerem. Jest to
specjalny rodzaj dochładzacza, w którym część czynnika obiegowego (przeważnie jest to
około 10-20%), odparowywuje przy wyższej temperaturze parowania niż w głównym
parowaczu, jednocześnie odchładzając w znacznym stopniu pozostały przepływ czynnika
obiegowego. Funkcja ekonomizera wymaga sprężarki z portem ekonomizera.
Rysunek 11. Obieg IV.
Aby odpowiednio przeanalizować i zasymulować obieg w programie SOLKANE 8 do
programu należy wykorzystań następujące dane wejściowe:
·ð Parowacz:
temperatura punktu rosy w parowaczu,
przegrzanie,
straty ciśnienia na parowaczu,
wydajność chłodnicza - strumień ciepła zaabsorbowany przez czynniki obiegowy
·ð Skraplacz:
temperatura punktu rosy w skraplaczu,
przechłodzenie,
straty ciśnienia na skraplaczu
·ð Sprężarka
stopień doskonałości sprężarki niskiego ciśnienia - pLP
stopień doskonałości sprężarki wysokiego ciśnienia - pHP
ciśnienie pośrednie liczone jako pm =
Wartość pm można zadać programowi za pomocą funkcji "Auto". Dobiera on wtedy
domyślną wartość ciśnienia pośredniego.
·ð ekonomizer:
minimalna różnica temperatury między punktami 9 i 7 (na rysunku 10)
11
przegrzanie w ekonomizerze lub stosunek rozdziału przepływu masowego.
·ð straty ciÅ›nienia na przewodach rozprowadzajÄ…cych czynnik obiegowy.
Po wprowadzeniu powyższych danych do programu dostaje się wartości
ciśnienia, temperatury, objętości właściwej, entalpii właściwej, entropii właściwej,
oraz stopnia suchości w następujących punktach:
1 - sprężarka niskiego ciśnienia/strona ssawna.
2s - punkt izentropowego sprężania w sprężarce niskiego ciśnienia
2 - punkt izentropowego sprężania w sprężarce niskiego ciśnienia
3 - sprężarka wysokiego ciśnienia/wpływ (punkt utworzony ze zmieszania
przepływów 2 i 8)
4s - punkt izentropowego sprężania w sprężarce wysokiego ciśnienia
4 - punkt rzeczywistego sprężania w sprężarce wysokiego ciśnienia
5 - wpływ czynnika do skraplacza
5'' - punkt rosy w skraplaczu
5''6'm wartość średnia między punkatami 5'' i 6'
6' - punkt wrzenia w skraplaczu
6 - wypływ ze skraplacza
7 - mniejszy przepływ/wpływ do ekonomizera
8 - mniejszy przepływ/wypływ z ekonomizera
9 - większy przepływ/wypływ z ekonomizera
10 - większy przepływ/wpływ do parowacza,
1011''m - wartość średnia między punktami 10 i 11''
11'' - punkt rosy w parowaczu
11 - wypływ z parowacza
Pozostałe istotne wartości obliczane przez program:
Skraplacz: wydajność skraplania = m3*(h5  h6)
Sprężarka niskiego ciśnienia: moc konsumowana przez sprężarkę niskiego
ciśnienia PND = m1*(h2  h1)
Sprężarka wysokiego ciśnienia: moc konsumowana przez sprężarkę wysokiego
ciśnienia PHD = m3*(h4  h3)
Ekonomizer: wymieniony strumień ciepla Q = m8*(h8  h7) = m1*(h6  h9)
12
6 5''
9
4
3
2
7 8
1
11''
10
Rysunek 12. Obieg IV w układzie lgp(i).
4
5''
6
9 2
3
8
7 1
11''
10
Rysunek 13. Obieg IV w układzie T(s).
13
 Rysunek 14. Obieg IV. Drugi rysunek.
Rysunek 15. Obieg IV w układzie lgp(i). Drugi rysunek.
.
14
5. Obieg V
Kolejny obieg nazywany jest obiegiem dwustopniowym z pośrednią iniekcją
cieczy. Efekt działania tego układu jest identyczny jak w przypadku obiegu z
intercooler'em (obieg III), jednak w tym przypadku ziębienie czynnika po przejściu
przez pierwszą sprężarkę nie następuje pod wpływem odbioru z niego ciepła, ale pod
wpływem działania czynnika o niższej temperaturze. Takie przechłodzenie gwarantuje
lepszą efektywność cieplną procesu.
Rysunek 16. Obieg V.
Aby odpowiednio przeanalizować i zasymulować obieg w programie SOLKANE 8 do
programu należy wykorzystać następujące dane wejściowe:
·ð Parowacz:
temperatura punktu rosy czynnika w parowaczu,
przegrzanie,
straty ciśnienia na parowaczu,
wydajność chłodnicza - strumień ciepła zaabsorbowany przez czynniki chłodniczy
spadek ciśnienia na parowaczu
·ð Skraplacz:
temperatura punktu rosy w skraplaczu
przechłodzenie,
straty ciśnienia na skraplaczu,
·ð Sprężarka
stopień doskonałości sprężarki niskiego ciśnienia - pLP
stopień doskonałości sprężarki wysokiego ciśnienia - pHP
·ð poÅ›redni iniektor - rozdziaÅ‚ przepÅ‚ywu masowego
·ð straty ciÅ›nienia na przewodach rozprowadzajÄ…cych czynnik obiegowy.
15
 Po wprowadzeniu powyższych danych do programu dostaje się wartości
ciśnienia, temperatury, objętości właściwej, entalpii właściwej, entropii właściwej,
oraz stopnia suchości w następujących punktach:
1 - sprężarka niskiego ciśnienia/strona ssawna
2s - izentropowe sprężanie na sprężarce niskiego ciśnienia
2 - rzeczywiste sprężanie na sprężarce niskiego ciśnienia
3 - wpływ do sprężarki wysokiego ciśnienia (wartość z połączenia przepływów w
punktach 2 i 7)
4s - izentropowe sprężanie na sprężarce wysokiego ciśnienia
4 - rzeczywiste sprężanie na sprężarce niskiego ciśnienia
5 - wpływ do skraplacza
5'' - punkt rosy czynnika obiegowego w skraplaczu
5''6'm - wartość średnia z wartości 5'' i 6'
6' - punkt wrzenia w skraplaczu
6 - wypływ czynnika ze skraplacza/ rozdział przepływu masowego
7 - wypływ mniejszego przepływu z zaworu rozprężnego
8 - wypływ głównego przepływu z zaworu rozprężnego i jego wejście do parowacza
89''m - wartość średnia między punktami 8 i 9''
9'' - punkt rosy w parowaczu
9 - wypływ z parowacza
6 5''
4
3
7 2
1
8 9''
Rysunek 17. Obieg V w układzie lgp(i).
16
4
5''
6
2
3
7
1
5''
8
Rysunek 18. Obieg V w układzie T(s)
Inne parametry obiegu:
Skraplacz: wydajność skraplania = m3*(h5  h6)
Sprężarka niskiego ciśnienia: moc konsumowana przez sprężarkę niskiego
ciśnienia PND = m1*(h2  h1)
Sprężarka wysokiego ciśnienia: moc konsumowana przez sprężarkę wysokiego
ciśnienia PHD = m3*(h4  h3)
6. Opis powszechniejszych czynników obiegowych z SOLKANE 8.
Przed aktualnie stosowanymi czynnikami obiegowymi dla pomp ciepła stawia się
następujące wymagania:
·ð muszÄ… posiadać dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci chÅ‚odnicze - niskie ciÅ›nienie pracy,
·ð muszÄ… być niepalne i nietoksyczne,
·ð współczynniki ODP (niszczenia warstwy ozonowej) musi być równy zero.
Wszystkie powyższe wymagania spełniają czynniki ziębnicze R410A i R407C,
gwarantujące także podobny współczynnik COP. Pierwszy z nich (R410A) pierwszy z nich
stosowany jest w urządzeniach kompaktowych, posiada wysoką wydajność z małej ilości
czynnika oraz małą bezwładność. Drugi z czynników (R407C) osiąga wyższe współczynniki
efektywności, a także charakteryzuje się większym "poślizgiem temperaturowym". R407C
17
pozwala uzyskać wyższą temperaturę skraplania, co zapewnia wyższą temperaturę pracy
instalacji.
Program SOLKANE 8 wyposażony jest w obszerną bibliotekę czynników
ziębniczych. Ze względu na powszechność stosowania czynników R410A i R407C,
postanowiono opisać je bliżej.
a. R410A
Masa czÄ…steczkowa: 72,6 kg/kmol
Skład chemiczny: CH2F2/CHF2CF3 = 50/50% masowo; blisko-azeotropowa.
R410A jest powszechnie stosowany jako substytut wycofanego z rynku
międzynarodowego czynnika R22. Jest także dobrym zamiennikiem dla R13B1. Czynnik ten
jest mieszanką azeotropową z bardzo niską temperaturą poślizgu, dlatego jest zwana także
mieszaniną blisko-azeotropową (poślizg temperaturowy mniejszy niż 1K). Zasadnicza różnica
między R410A, a R22 ujawnia się, gdy przeanalizowane zostaną ciśnienia robocze obu
związków. R410 A osiąga ciśnienie 25 barów już w temperaturze skraplania ok. 42oC, R22
natomiast w 62oC.
Zaletą R410A jest bardzo wysoki efekt chłodzenia na jednostkę pojemności, który
może być większy nawet o 50% w stosunku do R22. Dzięki temu istnieje możliwość
zastosowanie w mniejszych jednostkach obiegowych. Z powodu większego ciśnienia
roboczego przed konwersją istniejących urządzeń działających w oparciu o R22, należy
przeprowadzić analizę obliczeniową instalacji. Pomimo tego, że R410A wyprodukowano jako
zamiennik dla R22, częściej stosuje się w tym celu R407C.
Czynnik R410A znajduje zastosowanie w klimatyzatorach, pompach ciepła,
przechowalniach przemysłowych spożywczych oraz jako zamiennik dla R13B1 w niskim
zakresie temperatur (metody przekształcenia instalacji z czynnikiem R13B1 na instalacje
wykorzystujące czynnik R410A zostały już opracowane).
R410A jest niepalny i nietoksyczny. NDS (określa stężenie toksycznego związku
chemicznego lub innego czynnika szkodliwego w danym okresie pracy) dla tego zwiÄ…zku
wynosi 1000 ppm.
Opisywany zwiÄ…zek jest stabilny termicznie i chemicznie. Jest kompatybilny z
szeregiem stopów i metali stosowanych w budownictwie maszyn chłodniczych jak: stal,
miedz
i mosiądz. Należy przy tym wziąć pod uwagę, że R410A nie nadaje się do urządzeń, w
których ilość cynku, magnezu, ołowiu i stopów aluminium jest większa niż 2%. Wysoce
wrażliwe na działanie tego czynnika są niektóre tworzywa sztuczne i elastomery.
18
b. R407C
Masa czÄ…steczkowa: 86,2 kg/kmol
Skład chemiczny: CH2F2/CHF2CF3/CH2FCF3 = 23/25/52 % masowo; zeotropowy.
R407C także stosowany jest jako zamiennik R22. Jest on mieszaniną zeotropową
R125, R32 i R134a (25/23/52 % wagowo ) o poślizgu temperaturowym równym ok. 7 K.
R407C charakteryzuje się podobnym efektem chłodzenia na jednostkę pojemności jak R22.
Kluczowe znaczenie dla wykorzystania R407C ma dobór wymienników. W razie
nieumiejętnej modernizacji instalacji R22 na R407C może dojść do zmniejszenia wydajności
chłodniczej nawet o 10%. Związanie jest to z innymi współczynnikami odpowiedzialnymi za
wymianę ciepła tych związków. Jednak przy odpowiedniej konstrukcji można spowodować,
że R407C będzie pracował tak samo dobrze lub nawet lepiej niż R22.
Należy zaznaczyć, że aby dana instalacja pracowała na R407C wymagana jest
bezwzględna jej szczelność. Instalacje, których działanie opiera się na działaniu sprężarek
odśrodkowych nie nadają się do stosowania R407C.
Opisywany czynnik obiegowy jest niepalny, termicznie i chemicznie trwały i ma
podobną lub niższą toksyczność jak R22. NDS dla tego związki wynosi 1000 ppm.
Do pracy z R407C mogą być stosowane wszystkie stopy metalów powszechnie
stosowane w budownictwie maszyn ziębniczych. Należy pamiętać, aby unikać stosowania
stopów, w których znajduje się więcej niż 2 % wagowych cynku, ołowiu, magnezu.
R407C nie miesza siÄ™ z olejami mineralnymi. Oleje poliestrowe wykazujÄ… dobrÄ…
rozpuszczalność w R407C w odpowiedniej temperaturze i odpowiednim składzie.
R407C wykazuje różne działanie na elastomery, dlatego zaleca się każdorazowo
przeprowadzenie badań wpływu czynnika na dany materiał tego typu.
19