Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów ATH ZAKŁAD TERMODYNAMIKI. Badanie pompy ciepła - 1 -

Transkrypt

1 Katera Silników Spalinowych i Pojazów ATH ZAKŁAD TERMODYNAMIKI Baanie pompy - -

2 Wstęp teoretyczny Pompa jest urzązeniem eneretycznym, które realizuje przepływ w kierunku wzrostu temperatury. Pobiera ciepło z tzw. olneo źróła, którym jest otoczenie i przekazuje ciepło o źróła órneo o wyższej temperaturze. Taki kierunek przepływu nie może zachozić samorzutnie lecz jest wymuszony oatkowym nakłaem enerii, W sprężarkowych pompach enerią napęową może być praca wykonana przez silnik elektryczny. T órne źróło Pompa Q N el Q olne źróło T =T ot Rys.. Schemat ziałania pompy. Termoynamicznie, pompa nie różni się o ziębiarki. Inny jest jenak cel użyteczny stosowania tych urzązeń. W przypaku pompy celem użytecznym jest strumień rzewczeo Q, jakie pompa wytwarza. Wskaźnikiem ilościowym jest la pompy jej efektywność, którą określa stosunek efektu użyteczneo o nakłau eneretyczneo. η PC = Q N Z bilansu enerii la pompy el - -

3 Q = Q + N el wynika, że efektywność pompy wyraża się zawsze liczbą większą o jeności. Zonie z II zasaą termoynamiki przyrost strumienia entropii zjawiska nie może być ujemny i la pompy ziałającej w warunkach ustalonych: Π = Q T + Q T 0 co prowazi o zależności, jaka obowiązuje la efektywności pompy : Q T η PC = = η N T T el PC max Maksymalną efektywność η wykaże urzązenie pracujące owracalnie ( Π = 0 ) PC max Efektywność pompy maleje la wyższych temperatur órneo źróła, natomiast rośnie, y temperatura olneo źróła jest wyższa. W praktyce najczęściej spotyka się sprężarkowe parowe pompy (zwłaszcza o mocy rzewczej o kilkunastu kw). Realizowany w nich jest lewobieżny, parowy obie termoynamiczny zwany obieiem Lineo. Czynnikiem obieowym w pompie jest opowieni rozaj freonu obierany zależnie o temperatury źróeł. Postawowy ukła urzązeń realizujących obie Lineo przestawiono na rys.. Rys. Obie Lineo i tworzące o przemiany na wykresie lo p-h Schemat stanowiska pomiaroweo. Stanowisko skłaa się z baanej pompy, wóch zbiorników, które symulują olne i órne źróło, spiralneo wymiennika (po stronie olneo źróła ), wonych pomp obieowych, armatury łączącej urzązenia oraz urzązeń pomiarowych. Schemat stanowiska przestawiono na rys.. - -

4 H, m N P P W Z WZ Q ZR t zz WC N S P N P W H, m t w P t zc N P W t w H = 4, m 4 m W 4 ZR ZZ - Zbiornik woy zimnej ( olne źróło ) ZC - Zbiornik woy ciepłej ( órne źróło ) PC - zespół pompy S - sprężarka pompy Z - zawór rozprężny WZ - wziernik WC- wymiennik spiralny freonwoa (parownik) WC - wymiennik pompy freon-woa (skraplacz) P,P,P - pompy obieowe W,W,W,W 4 - woomierze ZR,ZR - zawory reulacyjne M,M - manometry la freonu t wp, t wk - temperatury woy porzewanej przez pompę t zz, t zc - temperatury woy w zbiornikach PC M M S Q WC obie freonu obie woy zimnej obie woy ciepłej opływ woy zimnej opływ woy ciepłej przepływ woy pomięzy zbiornikami ZC i ZZ Rys. Schemat stanowiska pompy

5 Dolnym źrółem la pompy jest woa wypełniająca zbiornik (ZZ), natomiast órnym źrółem zasilanym przez pompę, jest woa w zbiorniku (ZC). Przepływy woy pomięzy tymi zbiornikami a wymiennikami freon-woa zapewniają pompy obieowe (P) i (P). Wymiennik po stronie olneo źróła (WC) jest wymiennikiem typu rura w rurze uformowanym w kształcie spirali. W przestrzeni pierścieniowej teo wymiennika przepływa woa, natomiast miezianą rurą wewnętrzną przepływa czynnik ziębniczy (freon), który po zławieniu w zaworze rozprężnym (Z) oparowuje w wymienniku i pobiera strumień Q o woy. Pary czynnika obieoweo wypływające z teo wymiennika są zasysane przez sprężarkę pompy (S). Po sprężeniu są kierowane o skraplacza umieszczoneo wewnątrz obuowy pompy, zie przekazują ciepło Q o woy cyrkulującej pomięzy tym skraplaczem (WC) a zbiornikiem woy ciepłej (ZC). Całe stanowisko jest zasilane woą z sieci woociąowej, której natężenie przepływu można reulować zaworem (ZR) umieszczonym na rurociąu opływowym. Zawór ten umożliwia reulację temperatury woy ciepłej w zbiorniku (ZC. Pomięzy zbiornikami (ZZ) i (ZC) zapewniony jest reulowany przepływ woy. Stopień otwarcia zaworu reulacyjneo (ZR) wpływa na różnicę temperatury woy w obu zbiornikach. Dzięki takiemu rozwiązaniu ukłau przepływoweo możliwe staje się przeprowazenie baań efektywności pompy la różnych wartości temperatur woy w zbiornikach (ZZ) i (ZC), yż temperatury te można utrzymywać za założonym poziomie reulując stopnie otwarcia zaworów (ZR) i (ZR). Pomiar bilansowy instalacji. Strumienie ustaloneo. Q oraz Q wyznacza się metoą pośrenią - bilansową la stanu Bilans enerii la ukłau obejmująceo zbiornik (ZZ), pompy obieowe (P) oraz (P), i któreo częścią osłony bilansowej jest powierzchnia wymiany wymiennika (WC) ma postać: H + + H P P = Q H () Bilans enerii la ukłau obejmująceo zbiornik woy ciepłej (ZC), pompę obieową (P) i la osłony poprowazonej na powierzchni wymiany wymiennika (WC) wyraża wzór: H + + Q P = H H 4 () W równaniach bilansowych () i () nie uwzlęnia się strat (zysków) z powierzchni zbiorników i rurociąów. Strumienie entalpii woy w poszczeólnych przekrojach kontrolnych instalacji oblicza się ze wzoru: - 5 -

6 zie: m cw H = m c w t masowe natężenie przepływu woy. ciepło właściwe woy t temperatura [ o C] Z analizy pracy instalacji wynikają następujące związki pomięzy strumieniami masowymi: m = 4 m m + = m m Obejmując całą instalację osłoną bilansowa otrzymujemy: H = S P P P H 4 Równanie to umożliwia obliczenie strumienia woy m 4 = m la założonej temperatury woy w zbiorniku (ZC) i la znanych: mocy elektrycznej pompy, mocy pomp obieowych i znanej temperatury woy zasilającej. Masowe natężenie przepływu woy oblicza się ze wzoru: zie: V V τ ρ m = V ρ = V ρ τ strumień objętościowy woy; przyrost wskazania woomierza w czasie pomiaru; czas pomiaru; oznacza ęstość woy (jest ona funkcją temperatury). () Moc elektryczną (napęową) pompy N s oblicza się onosząc zmierzoną pobraną enerię elektryczną o czasu pomiaru. Przebie ćwiczenia. Stanowisko uruchamia się po otwarciu przepływu woy (zawór ZR) i po uruchomieniu pomp cyrkulacyjnych. Natężenie przepływu woy przez instalację ustala się zaworem (ZR) w taki sposób, aby przepływomierz wskazał właściwe natężenie przepływu woy w zależności o zaanej temperatury woy w zbiorniku (ZC). Natężenie przepływu woy należy uprzenio obliczyć ze wzoru ()

7 Uruchamia się sprężarkę pompy i zaworem (ZR) ustala się temperaturę w zbiorniku (ZZ). Po osiąnięciu stanu ustaloneo oczytuje się wskazania termometrów i przepływomierzy (W) i (W4), Z równań () i () oblicza się strumienie Q oraz Q a następnie wyznacza efektywność pompy