Temat: Pompy ciepła

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z procesami transportu ciepła w urządzeniu chłodniczym pracującym jako pompa ciepła, wyznaczenie podstawowych parametrów charakteryzujących tę pracę jako współczynnik wydajności grzewczej, wydajność grzewcza.

WPROWADZENIE

Pompa ciepła jest urządzeniem wymuszającym przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej, dzięki dostarczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych).

Pompy ciepła najczęściej mają zastosowanie w:

• gospodarstwach domowych (chłodziarki, zamrażarki)

• przetwórstwie spożywczym (chłodnie, zamrażalnie, fabryki lodu)

• klimatyzacji pomieszczeń (chłodzenie pomieszczeń)

• chłodnictwie

• ogrzewaniu pomieszczeń ciepłem pobieranym z otoczenia (z gruntu, zbiorników wodnych lub powietrza)

W lodówkach i zamrażarkach ciepło jest "wypompowywane" z przechowywanych produktów (co obniża ich temperaturę) i oddawane do pomieszczenia w którym stoi lodówka lub zamrażarka. Pompa ciepła zastosowana do ogrzewania pomieszczeń "wypompowuje" ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze (z gruntu lub powietrza na zewnątrz budynku) i po podniesieniu temperatury czynnika roboczego oddaje ciepło do ogrzewanego pomieszczenia.

Schemat prostej sprężarkowej pompy ciepła

1) skraplacz, 2) zawór dławiący (lub kapilara), 3) parownik, 4) sprężarka.

Zasada działania

Nazwa "pompa ciepła" jest użyta przez analogię do nazwy powszechnie znanej "pompy hydraulicznej" pompującej ciecz (najczęściej wodę) z niżej położonego zbiornika do zbiornika położonego wyżej. Zarówno "pompa hydrauliczna" jak i "pompa ciepła" potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Kiedy ciepło płynie w naturalnym kierunku (od wyższej temperatury do niższej), przepływ tego ciepła może być wykorzystany do napędu silnika cieplnego podobnie jak przepływ wody płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbinę wodną). Aby "zmusić" ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niższej do wyższej) należy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego. Przy odpowiedniej konstrukcji "pompa ciepła" i "silnik cieplny" mogą być jednym urządzeniem, podobnie jak jednym urządzeniem mogą być pompa hydrauliczna i silnik hydrauliczny (np. turbina Kaplana) w elektrowni szczytowo-pompowej.

Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez roboczy czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, sprężony dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), w którym czynnik odparowuje i trafia do sprężarki, gdzie rośnie energia wewnętrzna czynnika (a więc i temperatura), a następnie w skraplaczu oddaje ciepło (górne źródło ciepła) skraplając się i przez zawór dławiący lub rurkę kapilarną, trafia z powrotem do parownika.

Pompy ciepła wykorzystują ciepło niskotemperaturowe (o niskiej energii) (w praktyce 0 °C - 60 °C), trudne do innego praktycznego wykorzystania.

Sprawność

Do scharakteryzowania pomp ciepła nie używa się typowego pojęcia sprawności, lecz współczynnika wydajności pompy ciepła, tzw COP, który jest równy stosunkowi uzyskanego w górnym źródle ciepła do włożonej pracy (w przypadku układu sprężarkowego). Współczynnik ten może przyjmować w praktyce wartości od około 3 do kilkunastu, co oznacza dużą oszczędność energii elektrycznej w porównaniu ze zwykłym grzejnikiem elektrycznym (w którym stosunek ciepła do energii elektrycznej jest bliski liczbie jeden).

Efektywność cieplna pompy cieplnej zależy silnie od różnicy temperatur.

Przy wykorzystaniu pompy do ogrzewania zakłada się, że źródło energii cieplnej jest darmowe dlatego współczynnik efektywności określa się jako stosunek całkowitej energii na skraplaczu, do energii pobranej z sieci elektrycznej.

gdzie:

• E_s, E_e - energia przekazana w skaraplaczu i dostarczona energia elektryczna,

• T_s, T_p - temperatura skaraplacza i parownika (wyrażona w skali absolutnej),

• η_c - sprawność cyklu Carnota

Temperatura skraplacza jest od kilku do kilkunastu stopni wyższa od temperatury ogrzewanego pomieszczenia, a temperatura parownika jest o kilka stopni niższa od temperatury źródła ciepła.

Ze wzoru tego wynika, że pompy ciepła mają dużą efektywność przy małej różnicy temperatur a tracą ją szybko wraz ze wzrostem tej różnicy.

Równość w powyższym wzorze może być osiągnięta wyłącznie w doskonałej, odwracalnej pompie ciepła. Rzeczywiste urządzenia mają niższą efektywność, z powodu przede wszystkim dwóch efektów:

• nieodwracalności procesów przekazu ciepła w parowniku i skraplaczu (odwracalne procesy musiałyby biec nieskończenie wolno, byłyby więc praktycznie bezużyteczne),

• strat energii (tarcia) w sprężarce.

Seryjnie budowane sprężarkowe pompy ciepła osiągają typowo sprawność równą 50-60% sprawności pompy doskonałej. W odniesieniu do wystandaryzowanych warunków pracy (temperatura parownika 0°C = 273 K, temperatura skraplacza 50°C = 323 K) daje to współczynnik sprawności pompy około 3,5, co oznacza, że ponad 70% dostarczonego przez pompę ciepła pochodzi z dolnego źródła, a reszta z sieci elektrycznej.

Dodatkowo, w przypadku, gdy parownik odbiera ciepło od otaczającego powietrza, następuje skokowy spadek sprawności przy temperaturze powietrza poniżej 0°C. Jest to spowodowane oszranianiem się parownika i koniecznością okresowego odwracania obiegu pompy celem odszronienia.

OBLICZENIA

P_o = 0,2 [MPa] P_k = 0,8 [MPa]

i_o = 402 [kJ/kg]

i₁ = 404 [kJ/kg]

i₂ = 425 [kJ/kg]

i₃ = 258 [kJ/kg]

i₄ = 255 [kJ/kg]

i₅ = 225 [kJ/kg]

i₆ = 225 [kJ/kg]

Jednostkowa wydajność chłodnicza

q_o = i₀ - i₆

q_o = 404 - 225 = 117 [kJ/kg]

Jednostkowa praca sprężania

l = i₂ - i₁

l = 425 - 404 = 21 [kJ/kg]

Jednostkowe obciążenie cieplne skraplacza

q_k = i₂ - i₃

q_k = 425 - 258 = 167 [kJ/kg]

Współczynnik wydajności

ε = q_k / l

ε_g = 167 / 21 = 7,95

Obciążenie cieplne skraplacza (całkowite)

Q_k = m x c_pw x ∆t [W]

Q_k = 0,0023∙ 4,19 ∙ 291,15 = 0,0028 [W]

gdzie:

m_w = V_w x ρ [kg/s] - wydatek masowy wody chłodzącej skraplacz

m_w = 0,0000023 ∙ 998,2 = 0,0023 [kg/s]

V_w = V / τ [m3/s] - wydatek objętościowy wody chłodzącej skraplacz

V_w = 0,0035 / 1500 = 0,0000023 [m³/s]

ρ [kg/m³]- gęstość wody

ρ = 998,20 [kg/m³]

V [m3] - objętość wody chłodzącej skraplacz zmierzonej w czasie τ

V = 0,0035 [m3]

τ [s] - czas pomiaru objętości wody chłodzącej skraplacz (pomiar wodomierzem)

τ = 1500 [s]

c_pw [kJ/kg K] - ciepło właściwe wody

c_pw = 4,19 [kJ/kg K]

∆t = t₂ - t₁ [K]

∆t = 39 - 21 = 18⁰C = 291,15 [K]

ε_Rz = Q_K / L

ε_Rz = 0,0028 / 281,5 = 0,0000099

gdzie :

L = U∙I = 230 ∙ 0,95 = 218,5 [W]

Lub:

Q_k1 = ( m_w1 ∙ C_p ∙ Δt_w1 ) / τ

Q_k1 = ( 0,0023 ∙ 4,19 ∙ 291,15 ) / 1500 = 0,0018

Q_k1 = m_w2 ∙ C_p ∙ Δt_w2

Q_k1 = 0,0000015 ∙ 4,19 ∙ 275,57 = 0,0017

Gdzie:

m_w2 = m_w / τ = 0,0023 / 1500 = 0,0000015 [kg]

Δt_w2 = t_w22 - t_w21 = 30,83 -27,41 = 3,42⁰C = 276,56 [K]

Wnioski:

Pompy ciepła wymuszają przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Temperatura skraplacza jest od kilku do kilkunastu stopni wyższa od temperatury ogrzewanego pomieszczenia, a temperatura parownika jest o kilka stopni niższa od temperatury źródła ciepła.

---